雌蚊飞不了，雄蚊不生育！为了让蚊子「断子绝孙」，科学家又想出了新方法

丁香学术2021-09-16

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导读

每年，全世界有数百万人感染登革热和寨卡病毒，这些致命疾病传播的主要罪魁祸首是通过蚊虫媒介——埃及伊蚊。换句话说，蚊子是世界上最致命的动物，在地球上杀死的人比其他任何动物都多。

目前，控制这些毁灭性疾病的主要策略是使用杀虫剂，但是随着蚊子的进化以及逐步获得的杀虫剂抗性，使得这些传统方法收效甚微。因此，迫切需要有效、可持续和安全的蚊子控制技术。

除了传统的控制措施外，一些基于基因的技术也正在被用来对付蚊子，其中包括针对群体抑制的多个雄蚊释放计划，如经典的基于辐射的不育昆虫技术或释放携带显性致死基因的蚊子等。此外，新兴的基于 CRISPR 技术的基因改造也正在开发中，目的是在确保安全的前提下实施。

2021 年 9 月 10 日，美国加州大学圣地亚哥分校的研究团队在 Nature Communications 在线发表了题为 Suppressing mosquito populations with precision guided sterile males 的研究性文章，他们开发了一种被称为 precision-guided sterile insect technique（pgSIT）的分子遗传控制系统。

pgSIT 使用一种基于 CRISPR 的方法来产生不能飞行的雌性和不育的雄性。研究结果表明，不育的雄蚊后代在以卵或成虫的形式释放时，可以竞争、抑制甚至消灭多代蚊子种群。同时，本研究还表明，这种系统还适用于许多病媒昆虫，以安全、可控和有效的方式减少疾病传播。

图片来源：Nature Communications

主要研究内容

pgSIT 系统及其设计原理

为了在埃及伊蚊中有效使用 pgSIT 系统，研究人员首先通过构建转基因 gRNA 来靶向两个特定基因：β-Tubulin 85D，它在蚊子睾丸中特异表达，对精子发生和雄蚊生殖力至关重要；另一个基因是 myo-fem，它几乎只在蛹中表达，对飞行至关重要。如预期的那样，改造后分别产生了不育的和不能飞行的个体。不能飞行的蚊子在羽化后由于不能飞行被困在水面上，最终导致生育力、繁殖力和存活率的降低。

图片来源：Nature Communications

接下来，为了获得同时靶向 βTub 和 myo-fem 的 pgSIT 品种，研究人员将两个单独产生不育的雄蚊和不能飞的雌蚊组合在一起并进行了重复回交，得到了双纯合的后代gRNA^{βTub + myo-fem}。并与 Cas9 蚊子进行交配，最终杂交产生的全部后代皆是无法飞行的雌蚊和没有生育能力的雄蚊。

为了探索其潜在的适应度，研究人员检测了多项适应度参数，包括繁殖力、飞行活动、交配能力、声吸引力、幼虫-蛹发育时间、蛹-成虫发育时间和寿命。结果发现，pgSIT 体系创造的雄蚊，其生殖力、可育性和成活率均显著降低，表明其在野外的生存率低，更不可能传播病原菌。此外，雄蚊的存在可确保雌蚊生育能力持续下降，如果暴露时间较长，则可几乎完全抑制雌体生育能力。

图片来源：Nature Communications

pgSIT 系统在野生种群中的理论表现

为了评估 pgSIT 产生的雄蚊是否能够竞争和抑制种群，他们进行了离散的、多代的种群笼实验，采用不同的引入频率（pgSIT:WT - 1:1, 5:1, 10:1, 20:1，和 40:1），以及重复释放成年卵或成虫。

为了衡量每一代的效果，研究人员计算了产卵和孵化卵的总数，并证实了孵化的幼虫中没有标记基因，这表明释放的 pgSIT 确实是不育的。

他们发现在高引入频率（20:1, 40:1）的成虫释放到第 3 代时消除了所有种群，而低引入频率（10:1）的成虫释放到第 6 代时也逐渐达到抑制效果，并最终消除所有种群。

图片来源：Nature Communications

最后，为了探讨 pgSIT 对埃及伊蚊种群的抑制能力。研究团队利用 MGDrivE 模拟框架，在法属波利尼西亚的 Onetahi 释放模拟释放 pgSIT 卵和野生型成虫。在为期 10-24 周的野外实验中，观察到显著的群体抑制效果。

图片来源：Nature Communications

研究总结

综上所述，借助 pgSIT 系统，通过提高精确度和可扩展性，在现有的辐射和化学灭虫方法的基础上进行了改进，并在整个发育过程中破坏必要基因，证明了可以有效产生短寿命、不能飞行的 pgSIT 雌性和不育 pgSIT 雄蚊。

更为重要的是，通过与野生型雄蚊进行竞争，这种经过基因编辑的雄蚊可以达到抑制甚至消除种群的效果。通过数学模型结果表明，通过持续释放 pgSIT 雄蚊成虫或者卵，可以在野外实现种群消除。同时，该研究也表明基因驱动的改造能够在野生环境中持续传播，并提供了一个可控的安全替代方案。

本研究通讯作者——加州大学圣地亚哥分校 Omar S. Akbari 教授说到：「pgSIT 是一种新的可扩展的基因控制系统，它使用基于 CRISPR 的方法来设计蚊子基因组，从而抑制种群。雄性不会传播疾病，所以我们的想法是，当你释放越来越多不育的雄性时，你可以在不依赖有害化学物质和杀虫剂的情况下抑制种群数量。」

此外，Omar S. Akbari 表示：「这项研究还表明，pgSIT 可能是控制蚊子数量的一项有效技术，也是适用于野外释放的第一个例子。展望未来，pgSIT 可能会提供一种高效、安全、可扩展和环境友好的下一代替代技术，用于野外蚊子种群控制，从而大规模预防人类疾病传播。」

题图来源：站酷海洛

参考文献：

1. Li, M., Yang, T., Bui, M. et al. Suppressing mosquito populations with precision guided sterile males. Nat Commun 12, 5374 (2021).

2. Zheng, X. et al. Incompatible and sterile insect techniques combined eliminate mosquitoes. Nature 572, 56–61 (2019).

3. Crawford, J. E. et al. Efficient production of male Wolbachia-infected Aedes aegypti mosquitoes enables large-scale suppression of wild populations. Nat. Biotechnol. 38, 482–492 (2020).

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