基因驱动能终结蚊媒疾病吗?

什么时候Omar S. Akbari博士，他把自己的转基因蚊子实验室从加州大学河滨分校(University of California, Riverside)搬到了加州大学圣地亚哥分校(University of California, San Diego)，只取了卵子，从每个菌株中收集了一些，然后把它们密封在容器里，一路南行90英里。

“只是鸡蛋。加州大学圣地亚哥分校的生物学家和助理教授Akbari说传染病的新闻．

资料来源：Kurt Miller，Riverside Press Enterprise/SCNG。

阿克巴里的实验室里有260个笼子，里面装着130种转基因蚊子，另外还有更多的笼子可以做更多的实验。这个实验室的设计目的是把蚊子关在里面。四扇门将不安全的人与外界隔开。即使蚊子从笼子里逃出来，最里面的门触发的鼓风机也会阻止它离开房间。为了便于测量，从昆虫室到主实验室外的走廊都有蚊虫捕捉器。

阿克巴里说，即使它们以某种方式逃脱了，他的许多蚊子也无法在野外生存。有些人甚至无法在实验室中生存。利用一种技术，科学家可以对生物体的遗传物质进行理想的编辑，他的实验室已经设计出了他所说的“有趣的突变体”。这些蚊子包括有三只眼睛，三个口器，没有翅膀，有缺口的翅膀，眼睛是白色的而不是黑色的，还有可能使昆虫失明的小眼睛。Akbari说，这并不是疯狂的科学，因为每一个实验都有一个应用的理由，可以将特定的基因植入一个群体。例如，一个能产生醒目的黄色蚊子的系统可以用来对昆虫进行光学分类，并只释放雄性蚊子到野外。

这些实验使用的是CRISPR-Cas9基因编辑机制，科学家可以利用这种机制在昆虫种群中驱动一种自我毁灭的基因——比如产生无法存活后代的基因。在很短的时间内，CRISPR-Cas9使一个没有蚊子传播疾病的世界变得更有可能。

“我想，公平地说，它的效果让很多人感到惊讶，”安东尼·a·詹姆斯博士，加州大学欧文分校医学院微生物学和分子遗传学教授以及阿亚拉生物科学学院分子生物学和生物化学教授在一次采访中说。

传染病的新闻与几位专家讨论了使用基因驱动技术(包括CRISPR-Cas9)作为蚊虫控制工具的前景，以及它根除蚊虫传播疾病的潜力。

“我们需要更好的工具”

全世界每年有数百万人死于蚊子。根据世卫组织的数据，2016年全球至少有2.16亿人感染了疟疾，44.5万人死亡，其中大多数是非洲儿童。寨卡病毒的流行已导致数千名婴儿患上小头症，主要发生在巴西。去年巴西还爆发了大规模黄热病，引发了大规模疫苗接种运动，人们担心这种疾病会蔓延到该国最大的城市。目前，世界上大约一半的人口生活在登革热风险地区，这种疾病可能会发展成一种严重的、有时是致命的疾病。根据泛美卫生组织(Pan American Health Organization)的数据，基孔肯雅热首次在美洲本土爆发始于2013年，导致数百万人患病。

控制这些疾病的努力历来都集中在使用杀虫剂来迅速减少蚊子数量，比如2016年在迈阿密周围进行的空中喷洒来杀死蚊子埃及伊蚊携带寨卡病毒的蚊子。官员们敦促人们使用驱虫剂来保护自己，覆盖裸露的皮肤，修理破损的窗纱，清除院子里的积水。

几十年来，科学家们一直在试图找到更好的方法来对抗蚊子传播的疾病。与基因驱动法相比，以前的方法似乎比较原始。自从CRISPR-Cas9的引入，基因驱动法的前景越来越大，这使得这一过程更加高效和直接。

詹姆斯说：“多年来使用杀虫剂和杀虫剂向我们表明，这是不可持续的。”他从1986年开始探索蚊子传播疾病的基因解决方案。“我们不想继续将成吨的潜在有毒化学物质用于非目标生物。如果我们有更好、更清洁、对目标生物高度专一的东西，为什么不使用它呢？我们需要更好的工具，更具针对性。尽管这是一项尚未在该领域应用的新技术，但它仍然存在它一定比杀虫剂好。”

基因驱动技术在CRISPR-Cas9引入后，经过多年的研究未见成果，在过去的几年里取得了飞速的发展。该系统被认为对蚊子控制和根除蚊子传播疾病的未来至关重要，但还没有任何基因驱动被批准在野外使用，这项技术只是许多新探索领域中的一个。

“没有灵丹妙药，”Marcelo jacobs - lorena博士约翰霍普金斯大学彭博公共卫生学院的分子微生物学和免疫学教授在一次采访中说。“如果一种基因驱动被批准并实施，我认为它本身无法消除疾病。我们必须把我们所有的资源结合起来。这是我们征服疟疾或其他任何疾病的唯一途径。”

CRISPR是聚集的规则间隔短回文重复序列的首字母缩略词，Cas9代表CRISPR相关蛋白9。利用CRISPR技术，科学家可以通过切割和编辑DNA的目标片段来修改基因组序列。CRISPR-Cas9并不是第一个被专家测试的基因驱动技术，但它已经产生了最令人鼓舞的结果。

“我个人不相信任何其他基因驱动机制会起作用，”雅各布斯·洛雷纳说。

重要发现

科学家们正在探索其他控制蚊子的方法，包括不一定需要基因驱动来实施的干预措施。

最近，环保局批准使用一种沃尔巴契亚蚊子的控制。这种细菌在交配过程中传给雌性，导致后代无法存活。两者都适用埃及伊蚊和答:蚊传播寨卡、登革热、基孔肯雅和黄热病的蚊子。但是沃尔巴契亚对许多物种都不起作用吗按蚊携带疟原虫引起疟疾的寄生虫。

约翰霍普金斯疟疾研究所进行的两项研究的结果发表在科学去年提出了使用其他遗传方法来控制疟疾的可能性。在一项研究中，研究人员改变了几种菌株的基因活性答:stephensi以增强蚊子的免疫力恶性疟原虫寄生虫。他们发现，这个过程也改变了昆虫的交配偏好，转基因雄性偏爱未转基因的野生雌性，野生雄性偏爱转基因雌性。这有助于将基因改造推广到蚊子的连续后代——这是一个意想不到的发现。只花了5代，大约10到12周的时间，这种变异就占据了整个种群。这些蚊子对这种寄生虫保持了7年多的高水平抗性。

“我们的发现非常重要，因为它证明了基因的传播不必基于遗传机制。它可能会改变昆虫的行为，”乔治·迪莫普洛斯博士，约翰霍普金斯大学彭博公共卫生学院的分子微生物学和免疫学教授告诉记者传染病的新闻．

在另一次偶然发现中，雅各布斯·洛雷纳及其同事发现了一种新的病毒株沙雷氏菌属用来杀死疟原虫的细菌。这种细菌传播效率高，与其他感染蚊子的细菌不同。这种菌株是在蚊子的卵巢中意外发现的，在交配过程中很容易从雄性传播到雌性，然后从雌性传播到100%的后代，从而使它在蚊子种群中快速传播。

综上所述，一项发表在美国国家科学院学报（PNAS)首次展示了如何利用基因驱动将抗疟基因传播到病媒群体中。这项研究是詹姆斯和加州大学圣地亚哥分校的两名研究人员合作的结果，詹姆斯在2012年发表了关于抗疟疾基因的发现，伊桑·比尔博士，和华伦天奴Gantz博士他2015年的研究科学证明CRISPR-Cas9可用于传播果蝇的基因突变。他们一起将这项技术作为蚊子的基因驱动迅速加以应用。

另一项里程碑式的研究发表在PNAS2017年11月，Akbari和同事展示了他们如何通过基因工程使Cas9菌株易于通过几代人表达埃及伊蚊在他的实验室里进行的一系列实验产生了“突变体”。这只是所谓的分裂基因驱动的一半。Akbari和他的同事们正在研究另一半，其中包括将Cas9菌株与识别DNA序列的引导RNA进行杂交，并测量遗传率。

在蚊子身上使用CRISPR基因编辑技术只是科学家们正在研究的应用之一。在短短几年的时间里，其他领域也取得了许多突破。去年，哈佛大学的研究人员展示了他们可以使用CRISPR-Cas系统将一部短片编码到细菌的DNA中，这种方法可以用来在活细胞中存储数据。这些结果的快速连续性使研究人员对该技术的未来应用持乐观态度。

在发现抗生素的前一天，最温和的传染病也会危及生命。在那之后，它们至少变得可以治疗了。这些发生在科学和医学上的重大飞跃产生了深远的影响，”詹姆斯说。“这是某个科学家在某处做了一些没有人注意的事情，结果发现这是一件大事，就像CRISPR生物学。”

监管障碍

当第一个基因驱动在野外被引入时——根据Dimopoulos的说法，可能还需要5到10年——它不太可能在美国发生，詹姆斯说，在美国，让适当的监管机构达成一致是一个太大的障碍。

“你必须身处一个拥有完整监管体系的国家，所有利益相关方都有投票权，这真的很简单。美国仍然支离破碎。”“美国农业部、美国食品和药物管理局、美国环保署、美国疾病控制与预防中心——没有一个单独的机构可以让这些机构中的每个机构都有成员进行合作。”

尽管如此，詹姆斯说，如何在野外引入基因驱动系统的框架已经到位。根据世卫组织一个工作组设计的四阶段试验计划，研究人员必须证明基因驱动是安全有效的。接下来的两个阶段将涉及使用大型户外笼子或释放限制在特定地理区域或生态系统的蚊子，然后进行流行病学研究，表明这种驱力对疾病有影响。如果满足了所有的标准，第四阶段将包括将其纳入标准疾病控制计划。

詹姆斯预计，首次在野外进行的蚊子基因驱动将涉及在一个封闭区域进行少量释放。研究人员将对这种昆虫进行几个季节的监测，以确定其影响。但他说，由于没有一个国家采取了明确允许释放基因驱动生物的指导方针，现在推测第一个基因驱动生物可能在哪里出现还为时过早。

“我们正在努力加快监管结构。我们对此很满意。”詹姆斯说。“我们从事公共卫生工作。我们正试图拯救这些疾病中的人们。我们不想因为做了灾难性的蠢事而被人知道。这就违背了我们的初衷。”

伦理问题

在野外使用基因驱动还有其他障碍，包括关于改变动物生物学的伦理问题。

基因驱动的伦理问题可能是一个争论的问题，但专家们没有预见到它们会产生严重的生态后果，例如驱动跳到另一个物种或使蚊子成为另一种病原体的更有能力的载体——这两个问题已经被提出。“这是科幻小说，”迪莫普洛斯说。

尽管如此，为了让基因驱动成为现实，阿克巴里说，在基因驱动释放到环境中之前，展示对系统的控制是很重要的，以表明如果出现任何意外后果，它可以被逆转。根据他的说法，这很容易通过设计另一种可以针对初始序列的基因驱动来实现。他的实验室是加利福尼亚大学系统中的一个，他从国防部高级研究计划署（DARPA）获得了1500万美元的基因驱动相关资金，DARPA是美国国防部投资突破性技术的机构。阿克巴里说，DARPA资助的规定之一是研究人员探索基因驱动如何被逆转。

“这绝对是美国国防部高级研究计划局感兴趣的东西，主要是因为如果基因驱动器落入不法之徒手中，有人试图将某种东西作为某种武器来驱动，那么你将如何对抗这种武器?”阿克巴里说。“我们需要对策。制定对策绝对是当务之急。”

专家们推断，基因驱动可以用来使一种蚊子灭绝。一些人认为没有理由不根除这样的物种埃及伊蚊它是西半球的一种入侵昆虫，已经进化成了人类的害虫。但这符合道德吗?根据Sahotra Sarkar博士德克萨斯大学(University of Texas)的哲学和综合生物学教授约翰•斯特恩(john stern)表示，确实有合理的理由迫使一个物种灭绝，但必须首先进行公开讨论并制定政策指导方针。

萨卡尔说:“在这种情况发生之前，建议基因驱动导致任何物种灭绝是不明智的。”

Akbari说，基因驱动的科学发展如此之快，有关其使用的伦理问题可能比科学问题更难解决。

来源:史蒂夫Zylius / UCI

“我们将达到一个临界点，即有一个驱动系统可以传播，并可以阻止疟疾或登革热的媒介能力，我们将不得不决定是否使用它。我希望我们能做到。”

专家还说，参与和教育公众将是最终在野外使用基因驱动的一个重大障碍——可能是最大的障碍。已经有这样的例子，包括一项在佛罗里达群岛释放转基因蚊子的计划，该计划最初被居民投票否决，但最终获得了批准。去年，英国Oxitec公司在印度开始对同样的蚊子进行户外笼养试验。

迪莫普洛斯说，人们担心的一个问题是，公众会将一种无关疾病的爆发归咎于野生基因驱动的释放。

“我们必须面对的是，世界上任何转基因食品都有巨大的阻力。这是最大的障碍，”雅各布斯-洛雷纳说。“我们对付蚊子的优势在于，最终目标是拯救生命。”

“科学家与进化”

使用基因驱动是否能达到根除蚊子传播疾病的最终目标尚不清楚，但一些专家对这项技术押注。加州大学圣地亚哥分校正在建造一个2000平方英尺的昆虫馆，是阿克巴里目前实验室的10倍大。今年晚些时候完工后，阿克巴里将与比尔分享昆虫。

Akbari说，基因驱动的目标是将病原体阻断足够长的时间，使其不再被蚊子、人类或任何其他动物携带。在那之后，问题是大自然是否会合作。

“我确实认为进化可能会找到一种方法，”他说。“但考虑到我们可以相当快地设计基因驱动，这将是一场军备竞赛:科学家与进化。”

迪莫普洛斯说，有可能会发现比CRISPR-Cas9更好的基因，从而更容易大规模地改变蚊子的基因。

“这让我想起了他们给人类基因组测序的时候，”他说。“如果你在3年前就告诉任何人，他们将(这么做)，没有人会相信你。人们会笑的。然后，突然间，它就出现了。”- - -杰拉德·加拉赫

• 引用:
• 甘茨VM等。自然科学进展．2015年,doi: 10.1073 / pnas.1521077112。
• 甘茨VM等。科学. 2015;内政部：10.1126/science.aaa5945。
• 等。自然科学进展．2012年,doi: 10.1073 / pnas.1207738109。
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• 泛美卫生组织。基孔肯雅热。http://www.paho.org/hq/index.php?Itemid=40931．2018年1月22日生效
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• Shipman SL等。自然．2017年,doi: 0.1038 / nature23017。
• 王胜，等。科学.2017, doi: 10.1126 / science.aan5478。

• 更多信息:
• Omar S. Akbari博士，可于oakbari@ucsd.edu．
• 乔治·迪莫普洛斯博士，可于gdimopo1@jhu.edu．
• Marcelo jacobs - lorena博士可于ljacob13@jhu.edu．
• 安东尼·a·詹姆斯博士，可于aajames@uci.edu．
• Sahotra Sarkar博士可于sarkar@austin.utexas.edu．

信息披露:Akbari, diopoulos, Jacobs-Lorena, James和Sarkar没有披露相关的财务信息。