基因编辑和对疟疾的战争

经过 Ethan Bier., 艾略特清醒

使用CRISPR基因驱动器繁殖雄鹿蚊子可能会阻止毁灭性的疾病。

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5月2020年6月

第108卷,3号

疟疾是一种热带疾病,使血液喂养的蚊子从人蔓延到人。 2018年,出现了大约2.28亿款疟疾案件,估计在同一时期记录了405,000人死亡。超过一半的死亡是幼儿。

快点
  • 生物学家可以使用CRISPR, 细菌中的免疫系统,将基因插入生物体中。当该生物体再现时,它将改变的基因传播到后代。
  • 减数分裂的数学模型 (天然存在的进化过程)提供了有关CRISPR基因驱动器如何完成工作的指导。
  • 两个基因驱动策略 可以帮助疟疾战斗:一个人抑制蚊子群体,另一个改变了昆虫屋的方式和传播疟疾寄生虫。

蚊帐在预防感染的有效性有限,杀虫剂和抗疟药药物在预防和治疗感染方面也具有有限的有效性(见下图)。复杂这个问题是患有疟疾风险最大的地区的资源和基础设施缺乏资源和基础设施。

生物学家对抗疟疾面临一些选择。它们可以介入人类,疟疾寄生虫或蚊子。而且,而不是传统的战斗疟疾方法,他们可以利用新的遗传工具更好地减少人类中疾病的患病率,而没有农药和毒品的毒性或令人信服的人类修改其行为的挑战。现在,而不是瞄准人类或疟疾寄生虫,生物学家正在评估使用新工具来编辑疟疾蚊子的基因。主工具是一个 基因驱动器:当科学家将基因驱动器插入生物体时,生物体通过其所有后代的新基因,并且后代这样做。

2018年世界疟疾报告的地图数据/谁;照片:Jane Silcock,Brant Stewart / Laura Newman / U.s.政府的作品;国际灾难志愿者/ CC-BY-2.0

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改变蚊子种群的基因驱动方法是过去十年的发现的结果 集群定期间隔的短文重复 (CRISPR)-AN细菌中的免疫系统导致精密基因工程中的革命。插入一个染色体上的Cr Clas基因驱动器位于其旁边的染色体上的基因序列。像一对剪刀一样,它“切割”序列并在DNA缠绕中插入一对“剪刀”的副本。然后,生物体在其两种染色体中的每个染色体上有两种拷贝的CRISPR驾驶基因,使得在生物体产生的所有OVA或精子中存在基因。当该生物与不存在CRISPR基因的个体时,所有后代最初都有一个CRISPR基因的一种拷贝,并且在克切者系统之前具有物种的野生型基因之一。然后CRISPR在那些后代工作,将它们改变只有一份CRISPR副本。

2015年,ValentinoGantz是一位作者,其中一位作者的研究生,Ethan Bier,开发了第一批用于性繁殖的动物的Crispr基因驱动器,具有不同的组织类型和器官。然后,与加利福尼亚大学安东尼·詹姆斯的实验室合作,欧文,Bier和Gantz开发了第一个用于蚊子的CRISPR基因驱动系统。

CRISPR生物学家复制自然,就像植物和动物饲养剂一样模仿自然选择,当他们决定一个人口中的哪些生物将是下一代的父母。

CRISPR的新颖性超出了使生物学家能够插入生物体,这是将从一代传递到下一个的新基因。这些新的基因旨在规避孟德尔遗传学的“法律”,从而蔓延,发电后发电,随着速度的增加。在设计和使用它们以对抗疟疾的伦理之前,必须在进化和流行病学过程的背景下理解这些Crispropoct的自拷贝基因驱动器必须得到充分考虑。威斯康星大学 - 麦迪逊大学哲学家埃利乌特清醒的作者之一发表在该故事的演变方面,与Binghamton University的生物学家David Sloan Wilson合作。

进化原则

尽管CRISPR基因驱动器可能听起来像自然过程中没有对应的异国情调的技术干预,但它们通过对生物体具有影响的影响的过程来工作,只要有机体存在基因。这个过程是 减数分裂;它是差不多80年前的生物学家发现的。 CRISPR基因驱动器是工程的减肥。 CRISPR生物学家复制自然,就像植物和动物饲养剂一样模仿自然选择,当他们决定一个人口中的哪些生物将是下一代的父母。

Gopal Murti博士/科学来源

了解CRISPR基因驱动器需要了解性质。性生物是 二倍体;他们继承了一对染色体,一个来自每个父母的染色体。每种染色体含有排列在一条线中的基因,如串上的珠子。一对旁边的染色体在一起,因此在一个染色体上的基因在其它染色体上旁边具有另一个基因。当生物体有两种相同基因变体的副本时,据说该染色体基因座的基因型是 纯合子。当生物体在轨迹处具有不同的基因变异时,基因型是 杂合.

性繁殖通过生物体形成配子(OVA和精子)进行。配子有单身染色体代替身体中其他细胞中的对成对;配子是 单倍体。减数分裂是二倍体父母形成单倍体配子的过程,这些配子在繁殖中融合以形成二倍体后代。

19世纪60年代的格雷戈尔门尔,以及他在大约1900年兴奋的早期遗传学家,以为十分病是“公平”,这意味着杂合子有50%的配子,其中一个基因和其他50%(见下面的图)。遗传学家称这种甚至分配“独立隔离的法则”。当芭芭拉麦克林港发现玉米的基因,这项法律直到1942年站在1942年之前。这种隔离器扭曲的基因基因在杂合子产生的一组配子中,在一组配子中徘徊。这些“驾驶基因”已经在多种植物和动物物种中发现。

illustratino by Barbara Aulicino

如果驾驶基因D和野生型基因W在人口中,则可以通过观察杂合子产生的配子来发现D是驾驶基因。但这种情况呈现出谜题。为什么W副本仍然存在于人口中,即使W基因与D基因竞争这么差? W的存在表明,特征频率的第二个反补贴原因必须在工作。

挑剔的第二种原因是20世纪50年代发现房屋鼠标驾驶基因的一部分。 DW杂合子产生85%的D配子和15%的W百分之一的配子。然而,男性DD纯合子是无菌的,而WW和DW小鼠是肥沃的。因此,在杂合子中,D脱孔率W,但WW homozygotes Outcompete DD homozygotes(请参阅下面的侧栏)。因此,在杂合子中的选择,因此在纯合子中的选择共存。基因D赢得第一届竞争,但失去了第二次竞争,结果既不是D也不达到人口中100%的表现。外带课程是了解驾驶基因的演变涉及两种考虑因素:基因如何在DW杂合子中工作,以及DD和WW Homozygotes如何相互比较。

基因编辑目标

在对抗疟疾的战争中,生物学家可以考虑三个可能的目标:人类,蚊子和疟疾寄生虫。人类的干预仅限于发展有效的疫苗和抗疟药,但疫苗发育已经证明了具有挑战性。要了解原因,考虑两种可能的疫苗类型。第一类是熟悉的保护疫苗,其接种疫苗接种的人免受感染。第二个,更有前途的疫苗类型阻断疟疾寄生虫对他人的疫苗。这种类型的疫苗被称为 利他主义 因为它保护他人,而不是接种疫苗的人。保护疫苗已经更难以发展,因为它们采用活性在人类的寄生虫阶段,而传动阻止剂抵消蚊子中存在的寄生虫阶段。

为什么在蚊子中取出寄生虫比人类更容易?像所有脊椎动物一样,人类有两个免疫系统:复杂和高度特异性的自适应免疫系统,以及更加基本的先天系统。蚊子只有更简单的天生免疫系统。疟疾寄生虫已经进化了两家宿主成功生活的能力,但应对两个免疫系统的进化挑战比应对的挑战更严重。因此,寄生虫现在具有许多灵活的装置,用于防止人类免疫系统,但是对于防止更简单,挑战性的蚊子免疫系统的防御,较少且较少的灵活装置。

瓦伦蒂诺甘茨;背景Imageliligraphie / iStockphoto

另一个考虑因素加强了这一结论。为人类产生疫苗,保护它们免受具有细胞核的寄生虫(真核生物)一直有问题。包括的真核生物寄生虫,包括疟疾,比病毒和细菌更复杂。他们已经进化了许多适应来破坏宿主的免疫力。因此,开发一种疫苗,使人类免受疟疾免疫免疫的疫苗已被证明有挑战性。

或者,为什么不转基因疟疾本身?原则上,这种策略听起来很明智,但在实践中,科学家无法确定如何将遗传信息插入寄生虫中。一种可能性是插入杀死寄生虫的病毒,或使其更毒性。不幸的是,文献中没有描述这种病毒。即使可以找到这样的病毒,寄生虫的一部分也会感染,并且寄生虫通过简单地锁定在主蚊子产生的另一个分子上?

因此,底线是,修改蚊子是保护人类最合理的策略。

选项1:蚊子抑制

在蚊子中定居作为基因修改最可行的生物体,科学家面临了基因驱动器应该做的问题。一个选择是推动一些蚊子物种来灭绝。在20世纪60年代后期,Christopher Curtis建议使用染色体变体来推动有益的特征。这一想法虽然作为该领域的指导概念,在技术上是不切实际的。然后,随着“自私”遗传元素来到光线,伦敦帝国学院的奥斯汀博尔特做了数学建模,以便通过将它们与施加巨大健康成本(通常是无菌性)的特征来抑制人口来抑制人口的数学建模。可以建造无菌驱动器以消灭蚊子群。

科学家们提出了修改它们,而不是消除蚊子,以便他们不太能够将疟疾传播给人类。

在加利福尼亚州南部的海洋中,在过去三十年的研究中,来自加州大学的Anthony James Irvine(UCI),已经考虑了一种不同的方法。他建议修改它们,而不是消除蚊子,以便他们不太能够将疟疾传递给人类。

世界各地的不同实验室已经投资了这两种策略中的一个或另一个。条例草案和梅琳达盖茨基金会正在伦敦帝国学院的研究,在安德烈·克明的实验室,追求灭绝战略;在加利福尼亚大学圣地亚哥,在埃桑彼得士实验室,本文的同志,并与UCI的安东尼詹姆斯合作,塔塔基金会和UCI疟疾倡议正在支持修改策略。

灭绝战略在其发展中良好,尽管它尚未在野外尝试。在其实验室中,帝国学院集团进行了一项小型探索实验,涉及两座蚊子。每个人都开始使用450 WW蚊子和150个DW个人(因此,计算每个二倍体生物的两个基因,D的初始频率为12.5%)。最初没有DD homozygotes,但是当第一代具有后代时,DD个体出现,它们是无菌的。驱动基因D在每一代中的频率增加,第一个笼子在8代之后灭绝,而第二代之后,第二次在12次之后进入零。一代跨度约14天。在这里的工作中的基因驱动比生物学家在房屋鼠中观察到的85%至15%的分离比率更好地进行了85%至15%的比例 见上面的侧边栏,“驾驶基因到三个不同的目的地”)。帝国学院机械产生最极端的隔离比率:100%d至0%w。随着这种极端的分离失真,发展不是一个平衡点,其中d和w都保持在人口中。相反,D一直到100%,每个蚊子都是无菌的,而且人口灭绝了。

通过这些小笼子实验的结果的启发,Crisanti集团最近发起了一组新的测试。在意大利Terni建造的高安全设施中,该集团正在使用计算机控制以模仿自然环境条件,例如光,温度和湿度。下一步,待批准,将是一个开放的现场测试。基因驱动研究速度快。

到目前为止,我们描述了在涉及驾驶基因D和野生型W的单个人口中发生的事情。当我们考虑一个国家或整个大陆时,分析变得更加复杂,在那里存在许多当地的蚊子群体以及以下条件时:人群以100%的百分比,生物学家将D介绍进入其中一些人口,移民从一个人口移动到另一个人口。在这种多群设置中,如果在本地群体中发生灭绝,那么剥夺的地区将由野生型蚊子重新划分。结果是D在包含D和W的组中的频率增加,但是其中W是常见的群体避免灭绝并比D是常见的组更成功地发送移民。利用集团之间的估计迁移率,Burt和同事的建模表明,蚊子并不完全从引入D的语言环境中消失,但它们的数字大幅减少(约90%)。

因为消灭方法是生物学上可行的,所以必须考虑道德问题。如果基因驱动器插入野外的蚊子中,生态系统会崩溃或遭受重大破坏吗?例如,印度存在超过400种蚊虫物种,但这些物种中只有4至6种在疟疾对人类的蔓延方面具有重要意义。虽然灭火物种有时会导致主要的生态系统破坏,但灭绝这4〜6种不太可能这样做。是的,有些蝙蝠吃血液喂养的蚊子,但他们也吃了许多其他生物,包括不对人类喂养的蚊子。食物链的这种特性表明,灭绝战略崩溃生态系统的可能性非常小,尽管始终可能是不可预见的后果。

蚊子抑制方法的另一个问题不太投机:如果一个山谷中的蚊子被驱使被灭绝,没有什么能防止邻近山谷中的蚊子飞翔和重新划分。因此,基因编辑的灭绝受到与老式杀虫剂相同的问题:将需要对基因驱动器的重复应用,对于杀虫剂滴滴涕是真实的。在一个地区的蚊子灭绝和迁移之间的灭绝之间会流逝多少个月或几年?答案大大取决于具体背景,因此很难提供毯子估计。虽然疟疾的简短喘息甚至可能提供真正的人类利益,但参加灭绝方法的这个问题解释了替代方法的吸引力。

选项2:蚊子修改

第二种选择是使他们无法蔓延疟疾 - 这可能会使蚊子和人类有益。蚊子在感染疟疾感染后停止吃两周。一旦感染的蚊子开始喂食,寄生虫就会操纵蚊子的行为,导致它吃许多小血饭而不是几个大型的鲜食。驱动基因导致蚊子杀死身体内部的疟疾,或者将疟疾驱逐到人类的情况下,可能具有双重进化优势:它将在DW杂合子内部发生的基因之间的竞争中受到青睐,和DD生物会比WW生物更健康(见上面的侧边栏,“驾驶基因到三个不同的目的地”)。

Frank Kimaro,Usaid Boresha Afya湖西区/美国。政府作品

该基因驱动器避免了抑制策略面的问题。蚊子抑制战略创造了空置的地狱,其中来自其他地区的蚊子可以殖民,而修改策略则不会产生这种未占用的域。改性人群继续存在并以100%携带驱动基因。它在一个人口中驱动到零的野生型基因可能存在于其他地方,但局外人不能进入修改的群体并置换驱动基因。当它进入DD的生物群时,WW移民将处于选择性劣势。

当生物学家谈论“消灭疟疾时,”野人主义者经常认为他们的目标是在一次下降中摆脱整个疾病的全球。实际上,世界各国可能缺乏资源和旨在实现这一协调的全球事业的旨意。如果有任何此类项目是成功的,它必须逐步地进行零碎,疟疾在一个区域设置中被淘汰,然后是另一个,等等。当疟疾最终到处被淘汰时,将取消消除。如果使用修改策略,则此逐步程序是合理的;如果单独使用抑制策略,则不是。

遗骸伦理问题:如果疟疾寄生虫被从蚊子种群中删除,人口仍然存在,那么修改的人口将创造一个新的寄生虫将填补的空缺,也许对人类的事情变得更糟?可能的答案是 。在任何特定时间内只有约1到5%的女性蚊子携带疟疾。这种统计信息表明,其他寄生虫已经存在已经充分充足的机会,但到目前为止也没有。

蚊子抑制战略创造了空置的地狱,其中来自其他地区的蚊子可以殖民,而修改策略则不会产生这种未占用的域。

另一种道德关注涉及抑制和修改策略。也许驾驶基因将从一个物种跳到另一个物种,这种物种不受密切相关的,例如人类,由促进水平基因转移的病毒推进。基因流动的该途径与来自父母到后代的垂直传输一起存在。这里的担忧是插入蚊子中的基因会发现它进入人类基因组,对我们来说是灾难性的后果。然而,这种情况几乎没有可能发生在可预见的未来中的可能性,因为CrispRPRIVES依赖于两个高度特定的约束:“剪刀”的目标组件的顺序,它告诉它在哪里切割,以及几乎完美的对齐遗传元素将复制的供体和受体位点之间的DNA序列。科学家可以选择这些因素是在其预定部位插入的遗传元素是独一无二的,结果仅在选择的种类中发生插入。甚至缺乏缺乏这些DNA序列的密切相关的物种几乎是不可能的。

更合理的情景将是,如果驾驶基因未仔细设计,则携带靶物种中的基因的生物可能与个体伴有密切相关的物种,并产生可行的肥沃的杂种。在植物中,驱动基因可能确实跳跃相对较远,因为植物显然比动物更容易杂交。然而,对于昆虫,基因驱动将限于在同一属内的扩散。在任何情况下,都应该为将自己限制在目标物种中的CRISPR基因驱动器。实验室测试将展示是否可能蔓延到相关物种,在这种情况下,效果只是额外的物种更耐疟疾。

如果修改策略消除了语言环境中的疟疾,游戏可能不会结束。 True,Gene-Drive D取代野生型W,并且人口与现在具有两种基因D副本的所有人持续存在。真实的,来自其他地方的W​​个体无法侵入这群人口。粘附点是禁用D.自然选择可能出现新的突变是一种过程,其中装配工具替换不太适合的特征。 D'S比W更健康,不会阻止新的特质产生脱个性的D. Evolution不会停止。然而,这是一种消除任何传染病的问题,不仅是疟疾。它不是绝望的原因,但这意味着生物解决方案可能有有限的架子。

由于保质期问题,修改策略可能面临不可终止问题,类似于抑制策略面孔的侵入性问题。抑制策略的问题是空置语言环境可以通过具有旧基因W的移民重新灌注。相比之下,改性策略的问题是改性群体可以通过突变产生的基因侵入并展示一些优势通过D.表示,抑制战略可能比修改策略更快地发生成功的入侵。

前景和风险与福利

Crisanti集团的实验提供了证据表明抑制战略是可行的。有证据表明,修改策略也是可行的吗?答案是 是的。记住开发的传输阻断抗体,以提供侵入性疫苗吗?根据2012年发布的,Anthony James在UCI的实验室开发了一组非吸附力基因,这些基因只在吸血后才能编码在女性蚊子中的抗体。 (只有女性蚊子咬人,这些女性需要血液用餐来繁殖。)实验室的实验表明,这些抗体是100%的有效阻断最致命的疟疾形式的传播。

在BIER实验室设计了第一个在昆虫中的CRISPR基因驱动器之后,两个实验室合作,将基因驱动与詹姆斯集团的抗疟原基因组合在一起。结果是一种蚊子,可将传输阻断抗体递送至其后代的近100%。实验提供了原则上的这种基因驱动器的可行性,它蔓延到蚊子的抗体,在蚊子中没有造成伤害,同时还防止它们将疟疾寄生虫从一个人宿主传播到另一个人体。与Crisanti集团进行的实验一样,构建了与蚊子的实验室笼子的实验,其中所有个体最初是WW homozygotes或DW杂合子。结果表明,从将新基因引入野生人口到达100%时,它只需要一到两个季节(10到20代)。

任何事务都有可能的意外后果,但要使管辖行动的可能性是选择不活动,这使得其自身的价格提取。价格是巨大的 - 每年有200万人会患有疟疾,并且约有500,000将死亡。那些生活在没有疟疾的国家的人可能会感到没有动力,如果这种风险是拯救其他地方的价格。但是,在沉浸在疟疾瘟疫中居住的社团的人可能更倾向于接受一些风险。疟疾国家是否会拒绝一种可以消除阿尔茨海默病或癌症的基因驱动器?

参考书目

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    • 清醒,E.和D. S. Wilson。 1998年。 别人:无私行为的进化和心理。 剑桥,马:哈佛大学出版社。

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