研究发现昆虫抵抗遗传方法来控制疾病传播

研究人员正在探索使用革命性的基因编辑工具CRISPR-Cas9来对抗人类疾病和农业枯萎病。但印第安纳大学的一项研究发现，该方法在拯救生命和作物方面具有一些挑战。这项研究今天在“ 科学进展 ”杂志上发表，它结合了先进的遗传和统计分析，以显示携带疾病的昆虫(如蚊子)的某些遗传和行为特性如何使这些物种对遗传操作具有抗性。这种抵抗可能使使用CRISPR-Cas9在抗击疟疾方面的尝试变得复杂 - 疟疾是一种致命的蚊子传播的疾病，威胁着全球超过30亿人 - 或者是作物枯萎病，例如西方玉米根虫，一种入侵物种，花费美国约10亿美元在每年失去作物。

在2010年初，CRISPR-Cas9系统(或简称“CRISPR”)的发现在基因编辑中引入了前所未有的准确性。科学家可以使用该方法设计高精度的遗传“剪刀”，剪掉并用他们选择的序列替换基因组的特定部分。两位英国科学家是第一个证明该方法能够在2015年末传播携带疾病的蚊子不孕症的人。

“我们发现物种内的小的遗传变异 - 以及许多昆虫的杂交倾向 - 会严重影响使用CRISPR技术减少其数量的尝试的有效性，”IU Bloomington的生物学杰出教授Michael J. Wade说。“虽然很少见，这些对CRISPR具有抗性的天然存在的遗传变异足以阻止使用遗传技术进行种群控制的尝试，迅速将野生种群恢复到早期的'前CRISPR'数字。”

这意味着引入可以控制昆虫种群的基因(例如导致雌性蚊子产卵较少的特性)的昂贵且耗时的努力将在几个月后消失。这是因为雄性蚊子用于传播新基因，因为它们不咬人只能活10天左右。

Wade补充说，天然存在的遗传变异的保护作用足以克服基于CRISPR技术的“基因驱动”的使用 - 除非基因驱动与特定目标群体的遗传背景相匹配。基因驱动是指以接近90%的速率传播的基因 - 显着高于有性繁殖生物中发生的正常50%的机会。

韦德是“自私基因”的专家，由于他们的“超达尔文”能够快速传播到整个人群中，因此与基因驱动相似，与IU的同事合作，包括基于CRISPR的专家Gabriel E. Zentner遗传工具和生物系助理教授 - 探索基于CRISPR的种群控制在面粉甲虫中的有效性，这种物种估计会在收获后摧毁世界20%的谷物。

该团队设计了基于CRISPR的干预措施，针对来自世界四个地区的面粉甲虫基因组中的三个部分：印度，西班牙，秘鲁和印第安纳。然后，他们分析了所有四种甲虫品种的DNA，并在靶基因序列中发现了天然存在的变异体，其存在会影响基于CRISPR的技术的有效性。该分析揭示了几乎每个分析的DNA片段中所有四个物种的遗传变异，包括秘鲁甲虫的高达28%的变异率。值得注意的是，韦德的统计分析发现，遗传变异率低至1% - 与野生蚊子典型的近亲繁殖率相结合 - 足以消除六代中任何基于CRISPR的种群控制方法。

结果表明，仔细分析目标群体的遗传变异必须先于使用CRISPR技术控制携带疾病的昆虫的努力。他们还指出，修改基因在全球范围内的意外传播是极不可能的，因为典型的遗传变异水平会给地区或物种之间的传播带来自然障碍。

“根据这项研究，任何试图通过这种方法减少昆虫种群的人都应该对目标基因区域进行彻底的遗传分析，以评估变异率，”韦德说。“这将有助于预测该方法的有效性，并通过使用具有改变的序列特异性的Cas9变体来提供有关避免自然遗传变异的方法的见解。”

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