内置“基因盾牌”的蚊子可阻止疟疾 - 感染率下降 93％

克服杀虫剂耐药性：蚊子体内的单一基因改造如何跨代自我繁殖，在不损害生存的情况下几乎消除了疟疾传播。

在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，一个科学家小组检查了纤维蛋白原相关蛋白 1（FREP1）中的谷氨酰胺 224（Q224）等位基因是否使斯氏按蚊对疟原虫感染具有抵抗力，估计了与该等位基因相关的生存成本，并测试了等位基因驱动系统以在人群中传播这种保护性突变。

先决条件

2023年，约有60万人死于疟疾，其中大部分是撒哈拉以南非洲和南亚的儿童。传统的控制方法——蚊帐、杀虫剂治疗、抗疟药物——由于蚊子和寄生虫的耐药性而逐渐失效。基因驱动技术能够在蚊子种群中传播有益等位基因，提供了一种有前景且可持续的解决方案。

FREP1蛋白有助于疟原虫穿过蚊子中肠，但其天然变体Q224可以在不损害蚊子生物学特性的情况下预防感染。研究目的是测试这种内源性等位基因是否可以安全地传播，以减少疟疾传播，同时维持蚊子的生存能力。

关于研究

利用CRISPR/Cas9技术，构建了两株仅在FREP1蛋白第224位氨基酸上存在差异的斯氏按蚊菌株：野生型菌株含有亮氨酸（L224），而潜在保护型菌株含有谷氨酰胺（Q224）。向导RNA靶向位于密码子上游126bp的内含子区域，从而允许插入荧光标记（GFP或RFP）并发生同源重组。

通过翅长、繁殖力、卵孵化率、化蛹、成虫羽化和寿命（Kaplan-Meier 生存分析）来评估适应性。

载体能力是使用恶性疟原虫（人类）和伯氏疟原虫（啮齿动物）寄生虫的标准膜喂养来确定的，其中唾液腺中的卵囊和子孢子计数。

等位基因驱动系统包含一个包含针对L224和Cas9的gRNA的盒式启动子，该启动子受vasa启动子控制。在多循环实验（10代）中，使用荧光标签监测等位基因频率。采用PCR、桑格测序和NGS进行基因分型。贝叶斯模型估算了实验室条件下自由交配过程中的等位基因转换、适应度成本和动态变化。

结果

FREP1Q224 等位基因并未导致存活率的显著下降：翅长、繁殖力、孵化、化蛹和羽化与 FREP1L224 对照完全相同。雄性体型和寿命的细微差异并未影响其竞争力。未受精的 FREP1Q224 雌性寿命与对照相同，吸血后雌性的寿命仅略有下降。

攻击实验表明纯合子具有明显的保护作用。

• 在低浓度的恶性疟原虫配子体（0.08％）下：
  • 在 FREP1Q224 中感染率从 80% 下降至约 30%；
  • 卵囊平均数：3至0个；
  • 唾液腺中的子孢子：从>4000到0。
• 配子体增多症较高（0.15%）时：
  • 平均卵囊数量：~32 至
  • 子孢子也急剧减少。
• 对于伯氏疟原虫：
  • 平均卵囊数：43至25个；
  • 子孢子：约 19,000 至 11,000 个。
• 杂合子（FREP1L224/Q224）未受到保护。

基因驱动效率

• 在成对杂交中，Cas9 + gRNA L224 将 50% 到 86% 的 FREP1L224 等位基因转化为 FREP1Q224；
• 母体 Cas9 频率较高；
• 第2代时保护性等位基因频率达93%；
• NHEJ 修复途径错误发生率较低（0-12%），通常会造成损害。
• 在供体：受体比例为 1:3 的细胞群中，FREP1Q224 频率在 10 代内从 25% 增加到 90% 以上；
• NHEJ 等位基因的频率从 5.4% 下降到

贝叶斯模型支持高转化率、稳定突变频率低和致命不育嵌合体效应的假设，其中具有母体 Cas9 基因型的 WT 纯合子遭受体细胞突变并降低存活率。

后代几乎完全抑制了恶性疟原虫卵囊（中位数 0 到 5.5），证实该群体已基本对寄生虫传播产生了抵抗力。

保护性等位基因没有隐藏的好处或副作用，并且通过驱动传播。

结论

研究发现，替换 FREP1 蛋白中的单个氨基酸并利用基因驱动改变其遗传，可以使斯氏按蚊对人类和啮齿动物的疟疾产生免疫力，同时不会损害蚊子的生存能力。

这种方法是对现有措施（蚊帐、杀虫剂、药物）的补充，因为这些措施的有效性会因抗药性而降低。该系统还可用于恢复对杀虫剂的敏感性或引入其他保护性等位基因。

在该技术实施之前，需要严格的环境、道德和治理框架以及控制传播的系统。