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利用CRISPR Cas9基因编辑技术逆转昆虫对杀虫剂的抗性

作者:Magigen

虫媒疾病是一个很大的公共卫生问题,每年造成约750,000 人死亡,其中儿童是最脆弱的。限制这些疾病传播的主要方式集中在控制蚊媒种群。常见的病媒控制措施包括使用拟除虫菊酯、DDT或世界卫生组织推荐的其他几种杀虫剂进行室内滞留喷洒,以及使用长效杀虫剂处理的蚊帐 (LLIN),所有这些都含有拟除虫菊酯。这些杀虫剂的长期和重复部署导致选择了抗药性 (IR) 昆虫种群,破坏了全球病媒控制工作. 在包括蚊子在内的许多昆虫物种中,杀虫剂靶基因的突变是杀虫剂抗性IR造成的最常见的结果之一。

杀虫剂抗性日益严重的问题的一种解决方案是开发新的杀虫剂,这种方法成本高昂,这些昆虫专用化学品的开发和上市成本超过 1 亿美元。但近几十年来,许多昆虫在基因上已经适应,对杀虫剂的效力变得不那么敏感。一种补充方法是利用新开发的基因驱动技术,通过昆虫种群来传播基因盒,这些技术要么减少个体数量(抑制驱动),要么改变种群,使其不再对公共健康构成威胁, 例如,通过表达抗疟效应物,防止按蚊传播病原体等。

加利福尼亚大学的生物学家已开发出一种使用 CRISPR Cas9基因编辑技术逆转杀虫剂抗性的方法。这一策略可用于逆转蚊虫病媒的抗药性。这项技术还可用于增加蚊子中自然发生的遗传变异的比例,使它们对传播或疟疾寄生虫具有抵抗力。

在这项研究中,研究人员利用黑腹果蝇中强大的遗传工具,为等位基因驱动提供原理证明,赋予基因驱动元件额外的功能,以使首选等位基因变体(野生型杀虫剂易感vgsc等位基因)的遗传偏向于在许多昆虫中普遍存在的杀虫剂抗性等位基因L1014F。

研究人员使用了一种改良的基因驱动技术,该技术利用 CRISPR Cas9蛋白在目标位点切割基因组,在整个群体中传播特定基因。当父系或母系一方将遗传元素传递给他们的后代时,Cas9 蛋白会在相应位点从另一方那里切割染色体,并将遗传信息复制到该位置,以便所有后代都继承遗传特征。新的基因驱动包括一个附加组件,通过同时切割不需要的遗传变异(例如,杀虫剂抗性)来偏向简单遗传变异(也称为等位基因)的基因,并将其替换为首选变体(例如,对杀虫剂敏感)。

研究人员使用这种“等位基因驱动”策略来恢复对杀虫剂的遗传敏感性,类似于野生昆虫在产生抗药性之前。他们专注于一种称为电压门控钠通道 (VGSC) 的昆虫蛋白,它是一类广泛使用的杀虫剂的靶标。对这些杀虫剂的抗性,通常称为击倒抗性,或“ kdr ”,是由于vgsc基因突变导致杀虫剂不再与其 VGSC 蛋白靶标结合。研究人员用对杀虫剂敏感的正常天然对应物替换了抗性kdr突变。

击倒抗性kdr突变

图1. 击倒抗性kdr突变                                                      Ethan Bier et al.

从一个由 83% kdr(抗性)等位基因和 17% 正常等位基因(对杀虫剂敏感)组成的群体开始,等位基因驱动系统在10代中将该比例反转为 13%的抗性和87% 的野生型。赋予杀虫剂抗性的适应伴随着进化成本,使这些昆虫不太适合达尔文原理。因此,将基因驱动与更适合的野生型遗传变异的选择优势相结合,形成了一个高效和合作的系统,可以在包括蚊子在内的其他昆虫中开发类似的等位基因驱动系统。这种原理验证为害虫和媒介控制工具箱增加了一种新方法,因为它可以与其他策略结合使用,以改进基于杀虫剂或减少寄生虫的措施,减少疟疾的传播。

通过这些等位基因替代策略,应该可以在使用更少杀虫剂的情况下实现相同程度的害虫控制。还可以设计等位基因驱动的自我消除版本,这些版本经过编程,仅在群体中短暂起作用,以增加所需等位基因的相对频率,然后消失。这种局部作用的等位基因驱动可以在必要时重新应用,以增加天然存在的偏好性状的丰富性,最终终点是环境中没有转基因生物。

一个可能性是使用等位基因驱动来引入比野生型 VGSC 对杀虫剂更敏感的 VGSC 的新版本,这能让将更低水平的杀虫剂引入环境中,以控制害虫和疾病媒介。


参考文献

Reversing insecticide resistance with allelic-drive in Drosophila melanogaster

Bhagyashree Kaduskar, Raja Babu Singh Kushwah, Ankush Auradkar, Annabel Guichard, Menglin Li, Jared B. Bennett, Alison Henrique Ferreira Julio, John M. Marshall, Craig Montell & Ethan Bier

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