将基因修改引入蚊子种群有可能成为疟疾控制的关键。
近年来，研究人员已对多个种类的疟蚊进行了基因组测序，包括那些几乎造成了非洲所有地方疟疾传播的疟蚊。有了这些信息，研究人员开始对疟蚊全面调查，确认疟蚊能够以人类为宿主传播开来的基因基础、疟蚊的生殖生物学原理以及它们对疟原虫的易感性。如果我们知道决定疟蚊关键性特征的基因或基因变异，如与原虫转阴及产卵等特性相关的基因，从理论上来说就可以将某些基因修改引入蚊子种群来降低疟疾传播率。
为实现这一想法，科学家探索了近20年时间，在此期间开发出了一种将基因修改引入蚊子种群的办法，但迄今为止面临的一个巨大挑战就是：如何在短时期内将实验室培养蚊子的基因修改在野生蚊子的整个种群中传播开来。对于蚊子来说，在几乎所有情况下，转基因编码的一些特征没有进化上的积极意义，因此要让这些基因修改随着时间的推移作为自然选择的结果在蚊子种群中迅速传播开来是不太可能的。此外，即使将实验室里的转基因蚊子大量释放野外，相对于非洲庞大的蚊子群体来说也仍然只占很小的一部分，杯水车薪，于事无补。然而如今，研究人员终于有了一种合理的解决方案：基因驱动，一种引入遗传因子，用来“欺骗”孟德尔遗传规则的技术。
在有性生殖的生物中，每条染色体都有两个版本，基因的每一个版本通常都有50%的概率被传递给后代。基因驱动使用各种技巧来确保某种遗传因子或包含这种遗传因子的染色体能够被有选择地继承下去。最有效的基因驱动可确保近100%的遗传倾向性，其基因能够被遗传下去的频率比非基因驱动的遗传增加了1倍。如果一切顺利的话，只要经历10个世代，基因驱动就可导致转基因蚊子在野外蚊子群体中的数量增加1024倍。
大自然中也存在基因驱动现象，如自私基因或自私染色体入侵多个不同物种的例子。通过研究这些自私基因是如何成功的，研究人员希望可以利用基因驱动将基因修改在蚊子种群中传播开来，哪怕这些修改是不利于蚊子个体健康的。如果成功，该策略将最终灭绝疟疾这种在世界上持续时间最久、对人类危害最大的传染病。
一个可怕的人类宿敌
早在20世纪初期，意大利医生和动物学家乔瓦尼·格拉西（Giovanni Battista Grassi）与英国军队外科医生罗纳德·罗斯（Ronald Ross）确定，疟疾是一种被疟蚊雌蚊叮咬后在人类间传播的疾病。他们的发现引发了一个多世纪来对蚊子生物学、多样性和生态的研究。对疟疾传播媒介蚊子的了解直接导致了让疟疾得到有效控制的成功例子，在某些地区甚至完全消除了疟疾。
实现了疟疾根除的地区包括南欧和美国南部的几个州，这些地区由于多种因素的结合，使得疟疾的传播得到了有效控制。这些地区感染者数量减少；在人类居住地附近，作为传播媒介的蚊子密度降低。在撒哈拉以南非洲的某些地区，每年感染疟疾的人数多达2亿人；在疟疾传播地区，受到疟原虫感染的蚊子每天都在叮咬人类。由于这种种原因，非洲成了疟疾传播的重灾区，2015年全球死于疟疾的438000人中，非洲占了90%以上。
目前的疟疾控制方法主要包括：在蚊子繁殖地区大规模消灭蚊子，对蚊帐等用杀虫剂喷洒处理，利用疫苗和目前证明不足以消除疾病的某些药物预防疟疾传播等。一些研究人员开始转向通过控制蚊子种群基因来消灭蚊子，这类方法可专门针对蚊子的某些族群并可自我维持下去，不需要反复投放转基因蚊子，也不需要高标准的公共基础设施。
基因驱动技术的相关研究
昆虫群体中自然发生的基因驱动的例子在过去也是有案可查的。例如果蝇的转位因子P能够半随机地在基因组的多个位置复制并粘贴自身，其效率之高甚至在20世纪不到60年的时间里“横扫”了所有的野生种群。胞质内细菌属的细菌沃尔巴克氏体被认为是一种自私基因因子，几乎一半左右的昆虫体内都含有这种沃尔巴克氏体，它们可通过生殖细胞系传播并为雌性昆虫提供生育上的相对优势。从理论上来说，以上所述两种基因因子都可以链接到与影响蚊子健康或蚊子对抗疟疾寄生虫能力的基因修改上。然而，转位因子在基因组内不加区别转移的性质以及让大多数传播疟疾的蚊子种类感染沃尔巴克氏体细菌的难度阻碍了这种方法用于疟疾控制。
几年前，研究小组就决定开始调查这种自然的基因驱动方式是否也可应用于蚊子群体。首先，研究人员将一种归巢核酸内切酶人工插入蚊子基因组的自然目标点内，然后测试插入核酸内切酶在同源染色体内的传播能力。并利用启动子序列以确保核酸内切酶专门在蚊子生殖细胞系表达，结果表明它可以作为一种基因驱动力，改变精子或卵子对后代的遗传影响。
另一种通过基因驱动改变蚊子种群的方法是受到了一种被称为归巢内切酶的天然自私遗传因子的启发，这种自私基因存在于酵母和藻类等单细胞真核生物中。归巢内切酶是一种DNA切割酶，切割效果非常精确，它们能够在染色体上识别非常长的（也是非常罕见的）DNA目标序列，并将核酸内切酶编码的基因插入到这个目标序列中，当这种酶接触到染色体中不含核酸内切酶的同族体时，就会将完好无损的目标序列切割下来，促使细胞的DNA修复机制使用完好的染色体，其中包含的核酸内切酶基因可作为修补用的模板。（详见封二图示。）
这种类型的具有倾向性的遗传机制取决于细胞用来修复断裂染色体的路径，而不是取决于核酸酶本身。研究显示，这种类型的基因驱动可与任何类型针对某种DNA序列的酶结合在一起，包括CRISPR在内，通过将这些核酸酶插入染色体的目标点上，CRISPR基因编辑只需要单一的蛋白质（Cas9）和一个小小的引导RNA，就可以相对容易地设计一种在蚊子基因组内识别相关位点的核酸酶蛋白。结合多年来关于哪种类型的基因修改最有可能减少疟疾传播的研究成果，研究人员如今可通过基因驱动方法开发出有效的疟疾控制途径。（详见封三图示。）
转基因蚊子控制疟疾三大策略
转基因蚊子控制疾病传播有三大策略，这几种方法在早期实验室研究中表明有一定效果，但每种方法都有自己的优点和需要考虑的问题。
控制和减少蚊子种群数量 消灭疟疾可以想象到的最简单的方式是减少蚊子种群数量，将目标瞄准对于雌蚊生育能力至关重要的某种基因。只有一份缺陷基因的副本是有生育能力的，但是这种基因会进入所有的生殖细胞中，由此将这种基因传播到所有后代身上。基因驱动因子在蚊子群体出现频率增多，其后代从父母处接受这种基因副本的概率也随之增加，所有接受了这种基因副本的雌蚊都将不育，而所有接受了这种基因副本的雄性会继续将这种基因驱动因子遗传给它们所有的后代。
研究小组最近确认了3种与雌蚊生育能力相关的基因，这些基因有可能成为实施这种方法的适合目标。实验室里小规模种群实验表明，设计用来破坏其中某个基因的基因驱动可在整个种群中扩散开来。另一种类似的选择是以蚊子基因组内对寄生虫传播必不可少的基因为目标，如寄生虫与之结合以进入细胞的特定受体。
改变蚊子性别比例因为只有雌蚊才会传播疟疾，任何将蚊子种群性别比向雄蚊倾斜的干预措施都有助于降低疾病传播率。研究小组还表示，冈比亚疟蚊在精子成熟期间，可通过传递一种在数百个副本中专门针对某个重复序列的核酸酶，有选择地破坏X染色体。这种核酸酶会粉碎X染色体，结果存活下来的精子中95%含有Y染色体，产生的雄性后代都会含有这种核酸酶。研究人员目前正努力在这种核酸内切酶基因与Y染色体之间建立联系，让这种核酸酶作为一种驱动基因在整个蚊子种群中扩散开来，最终蚊子种群将因缺少交配所需的雌蚊而导致整个蚊子种群崩溃。
提高蚊子对抗疟疾寄生虫能力第3个选项是为蚊子配备某种直接对抗疟疾寄生虫的药物，这种方法的预期效果取决于加载物的性质，而不是基因驱动所瞄准的染色体的位置。研究者建议了一系列的抗菌肽，包括天然的与合成的。2015年，研究人员成功在斯氏按蚊（斑须按蚊）中实行基因驱动方法，包括利用基因编码单链抗体与疟原虫的表面蛋白结合并对其加以抑制。这项研究已在一代蚊子中显示了基因驱动对遗传倾向性的影响，但对寄生虫的影响尚未被证实，还有待对圈养蚊子种群做进一步测试。
基因驱动技术的潜力与前景
基因驱动对于昆虫媒介和害虫数量的控制潜力巨大，这种方法具有物种特异性、自我维持、长期有效性和成本效益等特点。基因驱动可作为现有的消灭疟疾方法的补充，比如疫苗开发、抗疟药和包括杀虫剂、蚊帐等在内的传统的蚊子媒介控制方法。
基因驱动用于疟疾控制仍处于起步阶段，每个不同的方法都要面临必须克服的巨大技术障碍。基因驱动是通过专门的基因设计将不利于蚊子的基因在蚊子种群中传播开来，但它同时也会在蚊子种群中生成一种选择压力，降低蚊子繁殖率要比改变蚊子传播寄生虫能力的策略更胜一筹。
最明显的抵抗体现在核酸内切酶目标点可能的序列变异，这样的变化可能已经存在于群体中，但如果被破坏的目标点的DNA修复是通过一种称为非同源末端连接的修复机制，而不是通过复制同源染色体（同源介导修复）的修复机制，变异的积累速度可能较低。几种不同方式结合可以降低风险，如选择有很强序列保护或基因驱动因子多路复用的点。例如，以CRISPR基因编辑技术为基础的基因驱动可能包括多个不同的向导RNA，所有向导RNA抗裂的可能性就会降低，类似于与抗生素联合疗法。
另一方面，通过基因驱动运送抗寄生虫药物，疟疾寄生虫耐药性筛选取决于蚊子和疟原虫菌株的遗传背景以及温度等环境因素。最终选择哪一种方法还要根据具体的疾病传播情况和昆虫媒介种类的生态状况。
任何在实验室里显示效果的基因驱动方法都必须在受到严格限制的大笼子里进行大量测试，以观察介入规模放大后的情况，如基因驱动因子是否稳定，是否产生抵抗或有脱靶效应出现的迹象等。对特定地区蚊子的分布、遗传异质性和基因流等背景调查也是必不可少的。
此外，与任何新技术一样，对这种方法的伦理和生态影响的仔细评估也是必要的。为此我们非常赞同最近研究界达成一致的基因驱动技术安全开发、实施和控制的原则，美国国家科学院在最近的一份报告中也鼓励以谨慎的渐近的方式来构建、测试和实施基因驱动技术。虽然有了以上总体指导原则，但对任何蚊子群体部署基因驱动控制措施时，都应该在个案基础上进行评估。以冈比亚疟蚊为例，监管部门要在控制这种造成巨大健康和经济负担的疾病所带来的潜在好处与各种风险之间进行权衡。
最后，最重要的是，部署基因驱动技术的决定不应该也不取决于设计这项技术的科学家，而是取决于那些受疾病困扰的国家和社区所做出的选择，需要各级利益相关者进行开放式对话，以确保在计划实施之前达成共识。
资料来源The Scientist
责任编辑 彦 隐
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本文作者托尼·诺兰（Tony Nolan）是伦敦帝国理工学院分子生物学家和高级研究员；另一位作者安德里亚·克里桑蒂（Andrea Crisanti）是该学院的分子寄生虫学教授。