基因改造可防止蚊子传播疟疾

蚊子每年造成的死亡人数比任何其他动物都多。2023年，这种吸血昆虫导致约2.63亿人感染疟疾，近60万人死亡，其中80%是儿童。

由于蚊子对杀虫剂产生了耐药性，以及导致疟疾的寄生虫也对药物产生了耐药性，近期遏制疟疾传播的努力陷入停滞。新冠疫情加剧了这些困境，使正在进行的疟疾控制工作更加复杂。

现在，来自加州大学圣地亚哥分校、约翰霍普金斯大学、加州大学伯克利分校和圣保罗大学的研究人员开发出一种新方法，从基因上阻止蚊子传播疟疾的能力。

加州大学圣地亚哥分校的生物学家李志倩和伊桑·比尔，以及约翰·霍普金斯大学的董月梅和乔治·迪莫普洛斯，发明了一种基于CRISPR的基因编辑系统，可以改变蚊子体内的单个分子——这一微小但有效的改变可以阻止疟原虫的传播。经过基因改造的蚊子仍然可以叮咬感染者并从其血液中感染疟原虫，但它们无法再将疟原虫传播给他人。新系统旨在通过基因方式传播抗疟特性，直到这些蚊子的所有种群都不再携带疟原虫。

“将蚊子体内的一种氨基酸改变为另一种天然存在的氨基酸，从而干扰疟原虫的感染，并将这种有益的突变传播到整个蚊子群体中，这是一个真正的突破，”加州大学圣地亚哥分校生物科学学院细胞与发育生物学系教授比尔说道。“很难相信如此微小的改变竟然能产生如此显著的效果。”

新系统利用 CRISPR-Cas9 作为“基因剪刀”，引导 RNA 在蚊子基因组的精确区域进行切割。然后，它会用一种干扰疟疾传播过程的有益氨基酸取代一种促进疟疾传播的有害氨基酸。

该系统针对的是编码FREP1蛋白质的基因。这种蛋白质帮助蚊子发育并在叮咬时吸血。新系统用不同的等位基因Q224替换了FREP1中的氨基酸L224。寄生虫利用L224到达昆虫的唾液腺，在那里准备感染新的宿主。

迪莫普洛斯是分子微生物学和免疫学系的教授，也是约翰·霍普金斯大学彭博公共卫生学院疟疾研究所的成员。他和他的实验室对亚洲疟疾的主要媒介——斯氏按蚊进行了测试。他们发现，用 Q224 取代 L224 可以有效阻止两种不同类型的疟原虫进入唾液腺，从而防止感染。

乔治·迪莫普洛斯表示：“这种方法的妙处在于，我们利用的是蚊子基因中自然产生的等位基因。只需一次精确的改变，我们就能将其转化为一道强大的屏障，阻挡多种疟原虫——而且很可能存在于不同的蚊子种群和物种中。这为制定适应性强、切实可行的疾病控制策略打开了大门。
”

在随后的测试中，研究人员发现，虽然基因改变阻止了疟原虫感染人体，但蚊子的生长和繁殖却并未受到影响。携带新版Q224的蚊子与携带原始L224氨基酸的蚊子一样具有生存能力——这是一项重要的成就，因为FREP1蛋白在蚊子生物学中发挥着重要作用，而这独立于其在传播疟疾中的作用。

与“基因驱动”系统类似，研究人员开发了一种方法，使蚊子后代能够遗传Q224等位基因并将其传播到整个种群，从而阻止疟原虫的传播。这种新的“等位基因驱动”系统沿用了比尔实验室最近开发的类似系统，该系统可从基因上逆转农业害虫的杀虫剂抗药性。

“在之前的研究中，我们创建了一个自我终止驱动机制，可以将果蝇种群从杀虫剂抗性逆转回易感性。之后，该基因盒元素就会消失，只留下一个‘野生’种群，”比尔解释说。“类似的‘幽灵’系统可以将蚊子种群转变为携带抗寄生虫的 FREP1Q 变体。”

尽管研究人员已经证明用 Q224 替换 L224 是有效的，但他们尚未完全理解这种改变为何如此有效。目前正在进行进一步研究，以确定氨基酸 Q224 究竟是如何阻断寄生虫入侵途径的。

“这一突破是各科研机构精诚合作和创新的成果，”迪莫普洛斯补充道。“我们共同利用大自然自身的基因工具，将蚊子变成了抗击疟疾的盟友。”

该研究发表在《自然》杂志上。