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转基因蚊子可能是遏制疾病传播的最佳武器

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,它们通过叮咬传播,每年感染约7亿人并杀死100多万人。

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在美国及其领土上造成了可能持续的大规模爆发,并且一直在发现新的侵入性病原体。目前,对这些疾病的控制主要限于广谱杀虫剂喷雾剂,其可以伤害人类和非目标动物和昆虫。如果有办法控制这些破坏性疾病而没有广泛使用杀虫剂的环境问题怎么办?

基因改造蚊子以预防疾病可能听起来像科幻小说,但近年来该技术已经发展到不再是一种降级到深夜电影的场景。事实上,它甚至都不是一个新想法;早在20世纪40年代,科学家就在谈论改变昆虫种群来控制疾病。今天,转基因(GM)蚊子,在过去的发展几十年的研究在大学实验室,被用于在全球许多地方,包括美国,对抗蚊子传播的病原体 - 包括登革热和寨卡病毒等。目前正在利用转基因蚊子对抗疟疾这一最具破坏性的蚊子传播疾病,尽管尚未开展疟疾控制的实地释放。

20多年来,我一直在研究转基因蚊子,作为实验室工具和抗击疾病。在那段时间里,我亲眼目睹了技术从理论到现场使用的技术。我已经看到效率低,随机和慢的旧技术为像CRISPR这样的新方法铺平了道路,这种方法能够高效,快速和精确地编辑蚊子基因组,而ReMOT Control则无需将材料注入蚊子胚胎。这些新技术使转基因蚊子用于疾病控制不是“如果”的问题,而是“何处”和“何时”的问题。

不要担心,这些遗传变化只会影响蚊子 - 当蚊子叮咬它们时,它们不会传播给人们。

使用转基因蚊子的方法

一名工人喷洒灭蚊雾,企图控制印度尼西亚雅加达一个街区的登革热。该国人口密集的地区经常遭受严重的蚊子传播疾病的爆发,特别是在一年一度的雨季,由于卫生条件差和生活条件不卫生。Achmad Ibrahim / AP Photo

目前有两种替代方法用于使用转基因蚊子控制蚊子传播的疾病。第一种是“种群替代”,其中生物学上能够传播病原体的蚊子群体被不能传播病原体的蚊子“替换”。该方法通常依赖于称为“基因驱动”的概念来传播抗病原体基因。在基因驱动中,遗传特性 - 一个基因或一组基因 - 依赖于遗传的一个怪癖,传播到蚊子后代的一半以上,从而提高了人群中特征的频率。

第二种方法称为“人口抑制”。这种策略可以减少蚊子的数量,从而减少蚊子传播病原体的次数。

它可能不是很明显,但“基因驱动”中的基因根本不需要是基因 - 它可以是微生物。所有生物体不仅存在于其自身的基因组中,还存在于其所有相关微生物的基因组中 - “全基因组”。微生物基因组通过遗传在群体中的传播也可以被认为是基因驱动。根据这个定义,已经部署在蚊子群体中用于疾病控制的第一个基因驱动是称为Wolbachia的细菌共生体。沃尔巴克氏体是一种细菌,可以感染高达70%的已知昆虫物种,在那里它劫持昆虫繁殖,从而在人群中传播。

因此,Wolbachia本身(其基因组约有1,500个基因)充当了被驱使进入群体的遗传特性。当Wolbachia被转移到以前未感染的蚊子中时,它常常使蚊子更能抵抗可导致人类疾病的病原体感染,例如多种病毒(包括登革热和寨卡病毒)和疟疾寄生虫。

一种抗击疾病的细菌

居民Annick Sternberg,左,释放受Wolbachia感染的雄性蚊子,正如迈阿密 - 戴德县蚊子控制中心主任Bill Petrie在2018年2月8日在佛罗里达州南迈阿密观看的那样。成千上万的细菌感染的蚊子是在迈阿密附近飞行,以测试一种新方法来抑制携带寨卡病毒和其他病毒的昆虫种群。右边是Mosquito Mate的现场运营经理Patrick Kelly。Lynne Sladky / AP Photo

在过去的八年中,研究人员已经将果蝇中存在的Wolbachia转移到了传播登革热病毒的蚊子中。然后在十几个国家释放这些改良的昆虫以控制疾病。虽然作为“非转基因策略”进行营销,但人工感染Wolbachia的蚊子显然属于转基因保护伞,因为超过1,500个基因(整个细菌基因组)已从原始果蝇宿主转移到蚊子中。

澳大利亚这些释放的初步登革热控制结果很有希望。但是,这种疾病具有较高疾病风险的其他版本领域,如南美和亚洲的控制,仍需要确定,特别是一些研究已经证明是沃尔巴克氏体有时会增加病原体感染蚊子,而不是压制它。

转基因蚊子消灭蚊子

在美国,埃及伊蚊,蓝色和白纹伊蚊,红色的携带登革热和寨卡病毒的估计范围。收集这两个物种的州和地区是紫色的。除阿拉斯加州外,所有美国州和地区都面临西尼罗河病毒的风险。Jason Rasgon,CC BY-ND

目前人口抑制的最佳例子是转基因无菌蚊子的释放。这是几十年前的无菌昆虫技术(SIT)的现代旋转,其中不育的雄性昆虫被释放到自然种群中以与野生雌性交配,从而减少蚊子数量。但是,不是用辐射或化学物质对蚊子进行粗暴灭菌,而是使用聪明的基因工程对它们进行消毒。该公司Oxitec公司已经设计与致死女性基因蚊子,但不以男性居多,不咬或传播疾病。成千上万的这些转基因雄性被释放到自然界中,在那里它们与种群中的野生雌性交配。遗传修饰是由这些交配的后代遗传的;雌性后代死亡,而携带该基因的雄性后代则存活并继续将这种特性传递给后代。随着女性越来越少,蚊子数量大幅减少。Oxitec已经在大开曼群岛,马来西亚,巴西和佛罗里达州进行了发布。

对这些无菌蚊子释放有一些反对意见,特别是在佛罗里达州。例如,在2016年,佛罗里达群岛的Oxitec试验遇到了一些当地阻力。然而,与基因驱动策略不同,无菌蚊子(基因改造或未转基因)的释放具有最小的环境足迹和任何疾病控制策略的最高安全性;当然比广谱杀虫剂喷雾剂更安全。它是高度针对性的,因此如果它起作用,将仅导致消灭目标蚊子物种,在这种情况下(埃及伊蚊)是佛罗里达州的高度侵入性和非天然蚊子。

除基因驱动外,Wolbachia细菌也被用于种群抑制。被细菌感染的雄性被释放到未被感染或被不同的Wolbachia菌株感染的蚊子群体中,这导致“不相容的”或无菌的交配。这种策略有着悠久的历史,并且在20世纪60年代首次用于抑制蚊子种群,之后人们甚至知道Wolbachia在相互交配时导致某些蚊子种群无菌。目前,Wolbachia-sterilized雄性已在多个国家释放,包括澳大利亚和美国,加利福尼亚州和佛罗里达州,以控制登革热病毒。

在一个日益相互联系的世界中,以及全球气候变化带来的额外问题,病原体不太可能局限于发展中国家,但对美国来说也是一个日益严重的问题。随着蚊子对杀虫剂抗性的演变,转基因技术有可能减轻全球蚊子传播疾病的负担,而不会产生与有害农药使用相关的环境和健康风险。

如果它听起来像科幻小说,不要害怕;它可能只是拯救你的生命。

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