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转基因蚊子可能是我们对抗疾病的最佳新武器
一个按蚊蚊子样本,可以携带疟疾。资料来源:Alex Wild / UT-Austin

蚊子是地球上最致命的生物之一。它们携带病毒、细菌和寄生虫,通过叮咬传播,感染一些造成7亿人死亡,每年超过100万人死亡

随着国际旅行、移民和气候变化,这些感染不再局限于热带和亚热带发展中国家。西尼罗河病毒和寨卡病毒等病原体已经在美国及其领土引发了大规模疫情,而且可能继续蔓延,新的侵入性病原体一直在被发现。目前,这些疾病的控制主要限于广谱杀虫剂的喷洒,哪些既能伤害人类又能伤害非目标动物和昆虫。如果有一种方法可以控制这些毁灭性的疾病,而不用担心广泛使用杀虫剂造成的环境问题,那会怎么样?

通过基因改造蚊子来预防疾病可能听起来像科幻小说,但近年来,这项技术已经发展到不再是深夜电影里的情节。事实上,这甚至不是一个新想法;科学家们正在讨论通过改变昆虫数量来控制疾病早在40年代。今天,转基因蚊子是在过去发展起来的几个几十年研究大学实验室在包括美国在内的全球许多地区,这些疫苗都被用于对抗蚊子传播的病原体,包括登革热和寨卡病毒。利用转基因蚊子防治疟疾这一最具破坏性的蚊媒疾病方面也取得了进展,尽管控制疟疾的现场释放尚未进行。

20多年来,我一直致力于转基因蚊子的研究,既作为实验室工具,也用于对抗疾病。在这段时间里,我亲眼目睹了这项技术从理论到实际应用的过程。我看过旧的技术那些低效,随机和缓慢的方法为新方法铺平了道路,比如CRISPR,可以高效、快速和精确地编辑蚊子基因组远距离控制这就消除了向蚊子胚胎注射物质的需求。这些新技术使用于疾病控制的转基因蚊子不再是一个“如果”的问题,而是一个“在哪里”和“何时”的问题。

别担心,这些基因变化只影响蚊子——它们不会在蚊子叮咬时传染给人。

使用转基因蚊子的方法

德克萨斯州普莱诺的灭蚊巡逻队正在驱散防蚊雾。

德克萨斯州普莱诺的灭蚊巡逻,
分散防蚊雾。资料来源:普莱诺市

目前有两种使用转基因蚊子控制蚊媒疾病的替代方法。第一种是“种群替代”,即一个在生物学上能够传播病原体的蚊子种群被一个不能传播病原体的蚊子种群“替代”。这种方法通常依赖于一种被称为“基因驱动”的概念来传播抗病原体基因。在基因驱动中,一种基因特征——一个基因或一组基因——依靠遗传的一种怪癖传播给一半以上的蚊子后代,从而提高了这种特征在种群中的频率。

第二种方法被称为“人口抑制”。这种策略减少了蚊子的数量,从而减少了蚊子的传播致病源

而这个概念蚊子的基因驱动几十年的老在美国,基因编辑技术CRISPR终于让人们可以在实验室轻松地对其进行改造。然而,基于crispr的基因驱动尚未在自然界中部署,主要是因为它们仍然是一项新技术,缺乏一个牢固的国际监管框架,但也由于相关问题进化的阻力在蚊子种群中会阻止基因的传播。

这可能不是显而易见的,但“基因驱动”中的基因根本就不是基因——它可以是一种微生物。所有的生物体不仅与自身的基因组共存,还与所有与其相关的微生物的基因组共存,即“全基因组”。微生物基因组通过遗传在种群中的传播也可以被认为是基因驱动。根据这个定义,第一个基因驱动已经部署在蚊子种群的疾病控制是一种细菌共生体称为沃尔巴克氏体属沃尔巴克氏体属是一种细菌,它能感染70%的已知昆虫物种,在那里它劫持昆虫的繁殖并在种群中传播自己。

因此,沃尔巴克氏体属它本身(大约有1500个基因的基因组)作为遗传特征被驱动到种群中。当沃尔巴克氏体属被转移到以前未受感染的蚊子,它通常使蚊子对可导致人类疾病的病原体感染更有抵抗力,例如多种病毒(包括登革热Zika病毒病毒),疟疾寄生虫

一种对抗疾病的细菌

在过去的8年里,研究人员采取了沃尔巴克氏体属存在于果蝇和把这种细菌传给了传播登革热病毒的蚊子。这些转基因昆虫随后被释放在十几个国家控制这种疾病。虽然作为一种“非转基因策略”进行营销,但人工感染蚊子沃尔巴克氏体属显然属于转基因的范畴,因为超过1500个基因(整个细菌基因组)已经从最初的果蝇宿主转移到蚊子体内。

初步澳大利亚的登革热控制结果很有希望。然而,在其他疾病风险较高的释放地区,如南美洲和亚洲,仍需确定疾病的控制情况,特别是某些地区研究证明了沃尔巴克氏体属有时会增加蚊子的病原体感染,而不是抑制它。

消灭蚊子的转基因蚊子

在美国携带登革热和寨卡病毒的蚊子种类的估计范围为:埃及伊蚊</em>,蓝色和白纹伊蚊</em>,红色。这两种物种被采集的州和地区都是紫色的。美国除阿拉斯加外的所有州和地区都有感染西尼罗河病毒的风险。

估计携带登革热和寨卡病毒的蚊子在美国的范围,埃及伊蚊、蓝、白纹伊蚊,红色。这两种物种被采集的州和地区都是紫色的。美国除阿拉斯加外的所有州和地区都有感染西尼罗河病毒的风险。资料来源:Jason Rasgon / CC-BY

目前种群抑制的最佳例子是释放转基因不育蚊子。这是对已有几十年历史的不育昆虫技术(SIT)的一种现代改造。在这种技术中,不育的雄性昆虫被释放到自然种群中,与野生的雌性昆虫交配,从而减少蚊子种群。但是,现在人们不再使用辐射或化学物质对蚊子进行简单的消毒,而是使用聪明的基因工程来对蚊子进行消毒。的Oxitec公司已经用一种基因改造了蚊子,这种基因对雌性蚊子致命,但对雄性蚊子不致命它们不会咬人或传播疾病。成千上万的转基因雄性被释放到大自然中,在那里它们与种群中的野生雌性交配。这种基因修饰被这些交配的后代所继承;雌性后代死亡,而携带这种基因的雄性后代存活下来,并将这种特征传给下一代。随着雌性蚊子越来越少,蚊子的数量急剧减少。Oxitec已经在大鳄鱼,马来西亚,巴西,佛罗里达

有些人反对这种无菌释放蚊子的做法,尤其是在佛罗里达州。例如,2016年,Oxitec在佛罗里达群岛的试验遇到了一些当地的阻力。然而,与基因驱动策略不同的是,在任何疾病控制策略中,释放无菌蚊子(转基因或非转基因)的环境足迹最小,安全性最高;肯定比广谱杀虫剂更安全。它具有高度针对性,因此,如果它有效,只会导致消灭目标蚊子种类,在这种情况下(埃及伊蚊)在佛罗里达是一种具有高度入侵性的非本地蚊子。

除了基因驱动,沃尔巴克氏体属细菌也被用于种群抑制。感染了这种细菌的雄蚊被释放到一个蚊子种群中,这个蚊子种群要么没有感染,要么感染了另一种细菌沃尔巴克氏体属导致“不相容”或不育交配的品系。这一策略有着悠久的历史,也曾经是最初是用来抑制蚊子数量的在20世纪60年代,当时人们还不知道沃尔巴克氏体属导致某些种群的蚊子在交配时不育。在当前的时代,沃尔巴克氏体属绝育的雄性已经在多个国家被释放包括澳大利亚和美国,加利福尼亚和佛罗里达,来控制登革热病毒。

在一个相互联系日益紧密的世界里,伴随着更多的问题全球气候变化在美国,病原体不太可能局限于发展中国家,但对美国来说也将是一个日益严重的问题。随着蚊子对杀虫剂的抗药性的进化是必然的,转基因技术有可能在全球范围内减少蚊媒疾病的负担,同时又不存在与有害杀虫剂使用相关的环境和健康风险。

如果听起来像科幻小说,不要害怕;这可能会救你一命。

···

Jason Rasgon是昆虫学和疾病流行病学教授吗宾夕法尼亚州立大学。这篇文章最早发表在谈话

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