基于共生菌和基因驅動技術防控蚊媒疾病
中國科學院動物研究所王關紅研究員和北京大學生命科學學院Jackson Champer研究員在國際著名期刊Trends in Genetics發表題為“Symbionts and gene drive: two strategies to combat vector-borne disease”的綜述文章，系統總結了共生菌和基因驅動技術防控蚊媒疾病的最新研究進展。
https://doi.org/10.1016/j.tig.2022.02.013
蚊蟲是瘧疾和登革熱等人類傳染病的重要傳播媒介，對全球健康和生命安全造成嚴重威脅。目前主要采用化學防控政策，因其抗藥性的産生及環境污染，急需探索新的經濟、安全、可持續的防控政策。共生菌和基因驅動方法作為兩種創新型的蚊蟲防控政策，例如，基于共生菌方法，沃爾巴克氏菌(Wolbachia)經母系遺傳，操縱蚊蟲宿主的繁殖，以增強它們的垂直傳播。基于基因驅動方法，即改變蚊蟲基因，在野生種群中傳播驅動等位基因，具有很大的應用潛力。我們總結了兩種防控技術的最新研究進展，并比較了兩者的獨特優勢及差別。
正文解讀
1. 基于共生菌防控蚊媒疾病
基于自然共生菌和工程菌實作蚊蟲防控效果，例如Wolbachia是研究最廣泛的基于自然共生菌的蚊蟲防控系統，Wolbachia通過母系垂直傳播，經雌性化、孤雌生殖或細胞質不親和性（CI）來操縱宿主繁殖，進而最大限度地限制其傳播。當感染Wolbachia的雄性與未感染的雌性交配時，就會誘導CI效應，進而導緻産生無法存活的後代。除沃爾巴克氏菌外，其他自然共生菌、特異性病毒、工程菌等對蚊蟲控制的研究最近也取得了顯著進展（圖1）。
基于共生菌防控蚊媒疾病主要包括以下幾個方面：
（1）基于細菌的蚊蟲防控技術：感染Wolbachia的雄性蚊蟲通過CI效應或改變蚊蟲種群對病原體産生抗性實作蚊蟲種群抑制的效果。沙雷氏菌（Serratia Y1）和亞細亞菌屬（Asaia）誘發蚊蟲免疫系統，減緩瘧原蟲發育（圖1A）。
（2）基于真菌的蚊蟲防控技術：異常威克漢姆酵母（Wickerhamomyces anomalus）通過分泌毒素蛋白對抗瘧原蟲的發育，白僵菌（Chromobacterium）通過誘導蚊蟲免疫系統對抗DENV-2和ZIKV活性（圖1B）。
（3）基于特異性病毒的蚊蟲防控技術：埃拉特病毒、細胞融合劑病毒、類樣病毒和陰性病毒可以單獨或聯合抑制蟲媒病毒的發育（圖1C）。
（4）基于工程細菌的蚊蟲防控技術：工程細菌沙雷氏菌（Serratia AS1）可以表達抗瘧原蟲效應蛋白來抑制瘧原蟲發育。工程菌（Asaia）可誘導蚊蟲免疫來防控寄生蟲（圖1D）。
（5）基于工程真菌的蚊蟲防控技術：與野生型蚊蟲相比，感染平沙綠僵菌（Metarhizium pingshaense）的蚊蟲壽命短且繁殖率低（圖1E）。
（6）基于工程病毒的蚊蟲防控技術：陰性病毒通過表達一種能抑制CHIKV複制的抗體來實作蚊蟲防控的效果（圖1F）。
圖1 基于共生菌的蚊蟲防控方法
2. 基于基因驅動技術防控蚊媒疾病
近年來随着CRISPR技術的出現，基因驅動研究取得了很大的進展。這些設計制造的等位基因在一次适量釋放後可以使它們的遺傳偏向在蚊子種群中有效傳播。基因驅動可分為種群修飾和種群抑制兩類。驅動還分為不受限制的驅動類型和受限制在特定目标種群的驅動類型。此外，基因驅動有時可能還有“自我限制”機制（圖2）。
圖2 基因驅動的限制
（1）無限制型基因驅動
歸巢驅動通過編碼核酸内切酶來切割同源染色體中的目标位點并在同源定向修複過程中複制自身。該過程将野生型等位基因轉化為雜合子種系中的驅動等位基因，進而增加驅動的遺傳性（圖3）。驅動使用Cas9與引導RNA，允許高度靈活地靶向天然基因組位點。目前CRISPR歸巢驅動的一個關鍵障礙是它們在Cas9切割後産生抗性等位基因，這會阻止驅動的傳播。
圖3 歸巢驅動的作用模式圖
目前已開發了幾種有特定修飾功能的歸巢驅動。在斯氏按蚊歸巢驅動中，兩個表達抗瘧抗體的有效載荷基因被設計在靶向kh基因的驅動元件中。該驅動保留了高效率，但也具有較高的胚胎抗性等位基因形成率。
為了克服這個問題，在果蠅中設計了一種救援歸巢驅動來靶向單倍緻死基因。這個基因的兩個功能性拷貝是生存所必需的，是以非功能性抗性等位基因是無法存活的。兩個gRNAs可用于防止功能性抗性等位基因的形成。驅動元件包含無法被gRNA切割的靶向基因的重編碼拷貝，“救援”了靶向基因的功能。這種驅動成功地消除了抗性等位基因并在籠子種群中進行傳播。
歸巢驅動可以通過設計靶向必需但單倍充足的基因（無需救援）來抑制種群。在這個系統中，驅動純合子是不育的或不可存活的，但驅動等位基因仍可在雜合子中傳播。目前最常見的種群抑制政策是靶向雌性生殖基因，這可防止去除雄性純合子中的驅動等位基因，同時仍通過将雌性純合子進行絕育來迅速抑制種群。
（2）限制型基因驅動
限制型基因驅動有引入門檻值，驅動頻率需要高于門檻值才能增加并達到平衡，低于門檻值則會下降并被消除。基于CRISPR系統的毒素-解毒劑驅動通過gRNA靶向必需基因并直接切割和破壞它們來充當毒素，具有靶基因的重編碼版本可用作解毒元素。這些驅動靶向單倍充分但是必需的基因，這意味着隻有當靶基因的兩個野生型拷貝被破壞而沒有任何驅動等位基因提供救援時，基因型不能存活。這些系統可能在多個蚊子物種中輕松設計，由于減少了對生殖系Cas9的表達和同源定向修複的要求，是以可能比歸巢驅動更容易。
無限制的歸巢驅動可能不适合一些特定情況，比如對入侵物種的局部抑制。這種情況下，栓系驅動可以提供歸巢驅動的動力，并限制另一個系統。它們可通過缺乏基本元件（如Cas9或gRNA）的歸巢驅動系統來建構，缺少的元件由限定驅動提供。
（3）自限型基因驅動
殺手-救援驅動是經典的“自限型”驅動系統，由兩個獨立的等位基因組成。“殺手”等位基因導緻不可存活，除非救援等位基因也存在。
其他自限型驅動系統包括一個分離驅動元件和一個支撐元件。支撐元件的頻率不能增加，由于适合度代價，将慢慢從種群中移除。當驅動元件與支撐元件一起，驅動元件的頻率可以增加，但最終由于缺乏支撐元件而下降。到目前為止，最常見的分離驅動是缺少Cas9的歸巢驅動，Cas9由支撐元件提供。
3. 總結與展望
近年來，随着城鎮化、全球貿易、氣候變暖等因素的影響，導緻蚊蟲跨區域傳播，缺少高效的蚊蟲防控方法加大了蟲媒傳染病的防控難度，化學防控在起到一定防控效果的同時易引起抗藥性的産生，是以，共生菌和基因驅動方法作為兩種新的防控政策，在蚊蟲防控方面具有強大的應用潛力。研究得到了中國科學院B類先導專項培育項目（XDPB16）等項目的支援。
https://www.cell.com/trends/genetics/fulltext/S0168-9525(22)00040-3
引文連結：
Guan-Hong Wang, Jie Du, Chen Yi Chu, Mukund Madhav, Grant L. Hughes, Jackson Champer. 2022. Symbionts and gene drive: two strategies to combat vector-borne disease. Trends in Genetics https://doi.org/10.1016/j.tig.2022.02.013
作者簡介
王關紅
研究員，博士生導師，
中國科學院動物研究所農業蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室昆蟲微生物組學與應用研究組組長
2011-2015年于中國科學院動研究所攻讀博士，2015 – 2016年耶魯大學聯合培養博士，2016 - 2019年哈佛大學博士後，2019 - 2021年加州大學聖地亞哥分校博士後，2021年2月至今中國科學院動物研究所研究員。研究組以基因組學為主要手段，基于多組學，基因編輯，微生物分離篩選，無菌體系等方法，探索微生物與宿主互作以及微生物和基因編輯技術對蚊蟲進行防控。迄今為止，以第一或通訊作者 (含共同) 在Cell Host & Microbe、Science Advances、Nature Communications等國際著名期刊上發表論文多篇，并獲得美國應用專利1項。
實驗室網站：http://www.wanglab.com.cn/
聯系郵箱：[email protected]
Jackson Champer
北京大學生命科學學院博士生導師
Jackson Champer于1986年出生于美國紐約。他擁有俄勒岡大學實體和數學學士學位和加州大學洛杉矶分校實體學碩士學位。之後，Jackson将工作重點轉向生物學，于2015年獲得博士學位。2016年至2021年，Jackson是康奈爾大學的博士後研究員。Jackson在2021年5月在北京大學生命科學學院成為博士生導師，從事基因驅動實驗方向和生信方向的研究，包括疾病媒介蚊子、模式昆蟲果蠅的基因驅動系統的設計。在北京大學生命科學學院和清華大學-北京生命科學聯合中心的大力支援下，課題組能夠提供先進的實驗和計算平台。
實驗室網站：https://jchamper.github.io/
聯系郵箱：[email protected]
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