摘要：蚊子是世界上最致命的动物之一，每年全球有数以百万计的人因蚊子叮咬而死亡。这些蚊媒疾病主要包括疟疾、登革热、寨卡病毒病，以及最近正在我国南方地区流行的基孔肯雅热等，其中疟疾是最致命的蚊媒疾病。世界卫生组织数据显示，全球每年感染疟疾人数2亿-3亿人，其中死亡人数约

蚊子是世界上最致命的动物之一，每年全球有数以百万计的人因蚊子叮咬而死亡。这些蚊媒疾病主要包括疟疾、登革热、寨卡病毒病，以及最近正在我国南方地区流行的基孔肯雅热等，其中疟疾是最致命的蚊媒疾病。世界卫生组织数据显示，全球每年感染疟疾人数2亿-3亿人，其中死亡人数约60万人。最近，加州大学圣地亚哥分校和约翰斯·霍普金斯大学等机构的研究人员开发了一种有效阻断疟原虫在蚊子体内传播通路的新方法，有望为疟疾防控开辟一条全新路径，该研究论文于2025年7月23日发表在国际著名学术期刊《自然》上。

仅需编辑一个碱基对

疟原虫是引发疟疾的单细胞寄生虫，已知有5种疟原虫可感染人体，包括恶性疟原虫、间日疟原虫、三日疟原虫、卵形疟原虫和诺氏疟原虫，而雌性按蚊是人体疟原虫的主要中间宿主，也是疟原虫配子生殖和孢子增殖的关键场所。

正在吸血的白纹伊蚊。视觉中国|图

疟原虫配子体在人体红细胞内形成后，通过按蚊叮咬随血液进入其胃部，雌雄配子形成合子，合子发育形成具有运动能力的动合子，最终少数动合子穿透按蚊胃壁和肠道上皮细胞，在按蚊胃肠道的基底膜下定植形成卵囊。单个卵囊可产生数万个子孢子，大量子孢子迁徙并聚集在按蚊唾液腺中，在按蚊叮咬人体后进入人体，子孢子经过人体肝细胞和红细胞中的增殖形成大量裂殖子，裂殖子再形成雌雄配子，等待蚊子叮咬后再进入蚊子体内，开启下一轮的生命循环。

喷洒化学杀虫剂是降低蚊子传播疟疾的有效手段，但是由于化学杀虫剂的环保问题以及疟原虫抗药性的不断出现，杀虫剂防控疟疾传播的效果正在持续下降。因此，科学家们一直在寻找一种更加安全可靠的基因工程技术，通过阻断疟原虫在蚊子体内的传播通路，以实现对疟疾的有效防控。

加州大学圣地亚哥分校伊桑·比尔（Ethan Bier）教授领衔的研究小组从2013年发表在《美国科学院院刊》上的一项研究中得到了灵感。当时，俄克拉荷马大学的研究人员通过全基因组关联分析，在冈比亚按蚊基因组中发现了一个FREP1（纤维蛋白原相关蛋白1）基因的天然突变体，即在该基因对应蛋白质的第442个氨基酸位点上，只需要一个碱基对变异，导致亮氨酸突变成谷氨酰胺，冈比亚按蚊对恶性疟原虫传播的抵抗力得到显著增强。

进一步分析发现，FREP1在疟原虫穿透按蚊中肠上皮细胞形成卵囊的过程中发挥关键重要作用，因此有人推测FREP1可作为阻断疟原虫在按蚊体内繁殖的关键靶点，尝试利用基因编辑技术破坏整个FREP1基因，的确可显著降低疟原虫的繁殖效率，但是也导致基因编辑蚊子的生存能力和繁殖能力均受到负面影响，无法评估这种基因编辑蚊子是否能在大规模应用中防控疟疾传播的效果。

于是，伊桑·比尔教授团队提出了一种更巧妙的设计方案。研发团队在传播疟原虫的斯氏按蚊FREP1基因上找到类似冈比亚按蚊的突变位点，即第224个氨基酸位点，然后利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，对FREP1基因进行精准编辑，将该基因对应蛋白质的第224个氨基酸位点——亮氨酸（密码子为CTA），替换成谷氨酰胺（密码子为CAA），培育出一批携带基因编辑按蚊。这样，研究人员通过基因编辑技术，在按蚊中引入了一种自然存在的单碱基突变，实现了单个氨基酸位点的替换，有望培育出具有强大疟原虫抗性的基因编辑蚊子。

有效且安全

基因编辑蚊子要在未来疟疾防控中真正地发挥作用，既要具有显著的疟原虫抗性，也要具有正常的生存能力和繁殖能力。

因此，研究人员首先评估了基因编辑蚊子的健康状况。研究人员主要比较了基因编辑蚊子在体型大小、繁殖力和寿命等方面，与对照组是否存在差异。结果显示，大多数试验组的基因编辑蚊子与对照组的翅膀长度（作为体型大小的替代指标）没有显著差异；通过评估雌雄按蚊交配后产卵数量和卵孵化率等指标，研究人员认为基因编辑蚊子的繁殖能力也与对照组相当；基因编辑蚊子与对照组在寿命、死亡率等方面虽然存在一些轻微差异，但是研究推测可能是不同荧光蛋白基因插入或者试验随机误差等因素导致的。研究人员认为，对按蚊进行单碱基编辑，不会显著影响按蚊的适应性。

接下来，研究人员测试了基因编辑按蚊的疟原虫抗性，包括感染人类的恶性疟原虫和感染啮齿动物的伯盖疟原虫。研究人员采用含有高配子体浓度和低配子体浓度的血液饲喂按蚊，然后分析按蚊是否被恶性疟原虫感染以及感染强度如何，其中以中肠基底膜上定植了疟原虫卵囊的按蚊数量作为感染率的指标，以每个被感染按蚊体内的卵囊数量作为感染强度的指标。结果显示，基因编辑按蚊的疟原虫感染率和感染强度均显著降低，其中低浓度组（接近正常疟原虫感染者体内的配子体浓度）感染率从80%降至30%，感染强度也从3降至0，高浓度组的感染率和感染强度同样有显著降低，但是降低幅度没有低浓度组大。在主要感染啮齿动物的伯盖疟原虫，研究人员也观察到基因编辑按蚊具有类似强大的疟原虫抗性。

研究人员还对按蚊唾液腺中疟原虫子孢子数量进行了分析，以评估FREP1突变体如何阻断疟原虫的传播。结果显示，在低配子体浓度组，携带未编辑按蚊的唾液腺中疟原虫子孢子数量达到4000个以上，而FREP1基因编辑个体的子孢子数量竟然降至零，基本观察不到疟原虫，这与FREP1突变体按蚊的感染强度数据基本一致。研究人员推测FREP1突变体是在卵囊形成之前抑制了疟原虫的发育。

基因驱动形成种群优势

携带FREP1谷氨酰胺突变体的基因编辑按蚊虽然能有效抑制疟原虫的传播，但是并不比野生蚊子更具生存优势。如果参照之前转基因不育埃及伊蚊大量野外放飞的做法，则需要事前在实验室或者专门的转基因蚊子工厂大量繁殖这些不育蚊子，生产成本较高。

为了让基因编辑按蚊能在野外逐渐形成种群优势，加州大学圣地亚哥分校等机构的研究人员在前人的基础上，设计了一种改进的基因驱动方案，通过放飞少量基因编辑按蚊去与野生按蚊交配，就能逐步地将野生按蚊的FREP1第224位氨基酸替换成谷氨酰胺，使得具有疟原虫抗性的基因编辑按蚊在野外形成种群优势，达到阻断疟原虫传播、防控疟疾流行的效果。

研究团队设计了一个连锁等位基因驱动盒，包括一段FREP1谷氨酰胺编辑体、一个红色荧光蛋白基因以及一个特异性的向导RNA序列，后者可以靶向FREP1亮氨酸未编辑位点。研究人员将这个等位基因驱动盒插入FREP1基因靶标位点附近，以获得第一代基因编辑按蚊，这种设计可以确保等位基因驱动盒上的DNA与FREP1基因靶标位点连锁遗传给下一代。然后让第一代基因编辑按蚊与原本携带DNA内切酶Cas9基因的基因编辑按蚊杂交，形成携带等位基因驱动盒和DNA内切酶Cas9基因的第二代基因编辑按蚊，让第二代基因编辑按蚊与野生按蚊杂交，等位基因驱动盒中向导RNA就会靶向FREP1亮氨酸未编辑位点，将其替换为谷氨酰胺编辑体。这样，经过10代，按蚊群体中携带FREP1谷氨酰胺编辑体的比例从最初的25%提高到了93%。

疟原虫感染试验表明，在经过等位基因驱动形成的富含FREP1谷氨酰胺编辑体按蚊种群中，疟原虫感染率和感染强度都显著降低，说明这种基因驱动形成的基因编辑按蚊种群对疟原虫具有强大的抵抗力，从而有望抑制疟原虫导致的疟疾传播。

这项研究在防控疟疾流行方面展现出巨大应用潜力，不过该研究尚未进入田间试验阶段，在真实环境中能否发挥作用还有待进一步验证。另外，也有人担心这种基因驱动形成的种群如果长期在野外存在，可能会产生一些意想不到的后果，例如，疟原虫可能会进化出对突变基因的抗性。针对这些担忧，研究团队计划设计一些更加安全的方案，比如在基因驱动中添加一种自我消除机制，使其在从种群中消失之前只会暂时起作用。

南方周末特约撰稿 汤波

责编 朱力远

来源：南方周末