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利用血粉,通过转基因微生物抑制虫媒传播疾病

作者:Caroline Cwalina & David J. Lampe来源:Nature

广州美格生物在微生物研究领域有着丰富的经验。咨询热线:18027152056


虫媒传播疾病给全球疾病治疗系统造成了沉重的负担,其中最致命的疾病之一就是疟疾。

许多疾病通过节肢动物媒介的血液摄取传播,其中最普遍的是蚊子。

蚊子和病原体的抗药性阻碍了虫媒控制策略,使用转基因蚊子的种群改变方法在实地实施之前仍然有许多障碍需要克服。

目前,对这些疾病的预防措施,都是围绕着病媒控制策略进行。

许多研究涉及转基因的蚊子的生产和释放。这些工程蚊子造成不育或死亡,以实现种群减少,或对病原体感染有抗性,引起种群的变化。

然而,像传统的无菌昆虫技术策略一样,维持自然界种群减少策略,需要不断地重新引入转基因蚊子,直到当地种群灭绝。

例如,埃及伊蚊被改造成对登革热病毒具有抗性;然而,在17代之后,所有的抗性基因都被突变或沉默。

这可能与转基因蚊子的适应性有关,这种抗性的减少可能是因为某些因素,例如赋予抗性需要额外的能量消耗、由于引入外源基因而引起的任何突变、尝试将基因导入种群中的近亲繁殖并发症等等。

为了克服这个缺陷,科学家正在研究基因驱动机制,通过群体驱动这些转基因,以实现高等位基因频率。

本文报告一种转基因虫媒共生体技术,其中史[蒂芬斯]氏按蚊的微生物群被工程化以产生抗疟原虫效应物,使蚊子对伯氏疟原虫变得不耐药。

中肠共生体Asaia仅在血餐存在时才有条件表达抗疟原虫蛋白蝎毒。与组成性表达抗疟原虫效应子的菌株相比,这些血粉诱导Asaia菌株显著抑制病原体感染,并显示出改进的适应性。

这种策略可以允许抗疟原虫细菌菌株存活并通过蚊子种群传播,从而创建易于实施和持久的媒介控制策略。

疟疾传播最严重的媒介之一是疟疾,每年造成超过430000人死亡。疟疾是由疟原虫属的寄生虫引起的,疟原虫具有复杂的生命周期,包括蚊子媒介和人类宿主。

重要的是,在蚊子中肠内,疟原虫生命周期的卵囊阶段出现严重的种群瓶颈,寄生虫数量减少到少于原始摄取数量的1%。

为了降低疟疾传播频率,转基因虫媒共生体技术旨在解决这一瓶颈。

有几种细菌可以用于抗疟原虫转基因虫媒共生体技术。一个特别吸引人的物种是Asaia bogorensis。

Asaia由母亲传给后代,持续到成年,并密集地存在于按蚊雌性中肠、幼虫肠道和生殖器官中。

此外,Asaia似乎在蚊子微生物群中是保守的,也许是因为它对幼虫发育带来的益处。

该细菌定殖了大量节肢动物疾病载体,包括埃及伊蚊和白纹伊蚊,各种人类病毒的载体,如登革热、基孔肯雅、齐卡等,以及稻瘟病菌,一种传播葡萄植原体的叶蝉载体。

在这种细菌中设计的病原体抑制可用于控制多种媒介传播疾病。

之前研究人员对Asaia sp. SF2.1 进行了遗传修饰,以表达分泌到中肠的抗疟原虫效应分子。

然而,这些蛋白质的本构产物有害于这些细菌菌株的适合性。

适合自然环境释放的Asaia菌株必须与已经在蚊子中肠建立的微生物群竞争,如果希望它们持续存在、并在蚊子种群中传播,甚至只是在短时间内传播,它们应该有尽可能的适应性。

我们猜测,与组成性表达效应子的菌株相比,仅在中肠内存在疟原虫时,产生抗疟原虫效应子分子会导致适应性增强。

本研究通过分离被在血粉中发现的营养物质流入激活的启动子 ,以下称为血粉诱导(BMI)启动子,来完成。

在此,我们发现,与使用组成启动子的菌株相比,由中肠共生细菌表达的条件诱导抗疟原虫基因不仅显著降低了疟原虫感染的患病率,而且允许转基因细菌更有效地与野生型Asaia细菌竞争,

改善蚊子中肠的定植。

抗疟原虫菌株的构建及适生措施

4个激活的BMI 启动子从报告质粒pGLR1克隆到蝎毒分泌质粒pCG18。

抗疟原虫载体PCG18.GLR1

图1

抗疟原虫载体PCG18.GLR1。在多克隆位点加入BMI启动子,以驱动无启动子pCG18.glr1中的抗疟原虫效应子蝎毒。

BMI启动子在疟原虫抑制中的应用

每种抗疟原虫ASAIa菌株和野生型AASIa均用来喂史[蒂芬斯]氏按蚊,就像用GFP菌株一样。

然后将蚊子喂给感染伯氏疟原虫感染的小鼠,一个用于疟疾研究的啮齿动物模型系统。

这些寄生虫在蚊子体内发育12天,然后解剖蚊子,并计算每个中肠的卵囊数目(图2)。

寄生虫在蚊子体内发育12天,然后解剖蚊子,并计算每个中肠的卵囊数目

图2

与喂食野生型Asaia sp. SF2.1的蚊子相比,所有分泌抗疟原虫结构的菌株的卵囊中位数均显著减少。

所有分泌蝎毒的菌株的卵囊平均数减少到野生型对照的将近1/10,表明这些转基因共生体蚊子具有很强的抗疟原虫作用。

最重要的是,所有BMI菌株与野生型Asaia相比,伯氏疟原虫感染的流行率(中肠显示的全部卵囊的数量)显著降低(26.3%-41.4%),而组成菌株则没有。

四个BMI菌株中的三个与构成菌株相比显著降低了患病率。

对伯氏疟原虫表现最好的菌株(ACG18.Hem)在三个健康测量值中的两个也得分最高(max和与野生型Asaia的竞争),其次是它在蚊子中肠定居的相对能力。


Paratransgenesis, 转基因虫媒共生体技术是一种通过共生体的转基因从载体群体中消除病原体的技术。这种技术的目的是控制媒介传播疾病。

第一步是鉴定阻止病毒物种传播病原体的蛋白质。然后,将编码这些蛋白质的基因导入共生体,使它们能够在载体中表达。该策略的最后一步是将这些转基因共生体引入野生载体中。


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参考文献

Blood meal-induced inhibition of vector-borne disease by transgenic microbiota

Jackie L. Shane, Christina L. Grogan, Caroline Cwalina & David J. Lampe


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