感染

“进攻疟疾” 一项革命性的基因驱动实验

作者:佚名 来源:康健新视野 日期:2017-08-12
导读

          BANA是西非国家布基纳法索(BurkinaFaso)的一个小村落,居民住的都是泥房子,很难想象这里会跟最尖端的生物学实验搭上关系。

关键字:  疟疾 

        BANA是西非国家布基纳法索(BurkinaFaso)的一个小村落,居民住的都是泥房子,很难想象这里会跟最尖端的生物学实验搭上关系。

        然而就在BANA,一群研究人员正在从事我们这个时代最有前景、也可能最可怕的生物实验。他们准备在这里释放一大群基因改造的蚊子,目前这些实验蚊子被锁在研究基地的实验室,上了两道金属门,并有专人全天看守。

        实验的目的是消灭一种蚊子种群。

        这些科学家计划释放的蚊子带有“基因驱动器”。这是一种颠覆自然遗传法则的生物技术,能使蚊子后代全都携带某种特定的性状,而在自然法则下通常只有一半的后代会获得遗传性状。一旦这种昆虫到了野外,它们会任意迁移并传播改造后的基因。

        目前,世界上还没有任何一种含有基因驱动器的生物(不管是哺乳动物,昆虫或植物)被释放到自然界。如果一切都按研究计划进行,在这个居住有一千多个居民、语言里甚至没有“基因”这个词汇的偏僻村庄,将有可能成为人类历史上的“第一次”。

        尽管生存条件落后,BANA被选为实验地点却是因为一种可怕的传染病——疟疾。疟疾存在于世界许多地区,撒哈拉以南的非洲最为严重,每年有数十万人死于这种疾病。非洲地区的疟疾导致的死亡人数占了全球总数的90%。

        疟疾可谓是布基纳法索居民的宿敌,这里路边随处可见蚊帐挂着出售,酒店的院子里也放满蚊香线圈,用来防止天黑后蚊子降临。

        位于布基纳法索首都Bobo-Dioulasso的IRSS研究所(Institut deRecherche en Sciences de la Sante)成立于1997年,目前是非洲最高级的疟疾研究实验室之一。

        IRSS研究所,非洲唯一有基因改造的蚊子的地方,位于布基纳法索首都Bobo-Dioulasso

        BANA村的蚊子实验属于比尔盖茨基金会发起的“进攻疟疾”慈善研究项目的一部分。

        “进攻疟疾”项目计划投入7000万美元在南非的布基纳法索,马里和乌干达开展疟疾防治研究,同时还有英国和意大利等国家的其他实验室共同参与。该项目旨在通过创新技术减少撒哈拉以南非洲地区传播疟疾的蚊子的数量,通过减少疟蚊数量减少疟疾的传播。IRSS研究所的Abdoulaye Diabate博士就是该项目在布基纳法索区的负责人。

        Bana位于布基纳法索首都Bobo-Dioulasso西边,在过去三年中,一个研究小组已经进驻到BANA村里一个改造成科研基地的老水泥房里。这些技术人员在当地志愿者的帮助下,计算居民家中蚊子的数量,观察交配的群体,并用彩色粉末喷洒蚊子以跟踪它们在村庄周围飞行的地点。他们通过收集这些蚊子种群的相关数据,为建立计算机模型打下基础,这将有助于确定如何释放基因驱动蚊子。

        Bana位于布基纳法索首都Bobo-Dioulasso西边

        穿白大褂的研究人员每次会BANA村住上几星期,他们在当地人的协助下,研究村庄的蚊子种群

        项目的下一阶段,研究人员需要向居民解释为什么他们要释放更多的蚊子。

        让当地居民直接接受基因驱动蚊子有点难,所以研究人员计划先在BANA或附近的村庄释放一些“常规”基因改造的蚊子。比如明年打算释放一种“绝育雄性”蚊子,它们不能产生后代。释放这批蚊子不是为了减少疟疾的流行,而是让研究人员和当地居民为最终释放基因驱动蚊子做好准备。

        同时,在英国数千英里外,伦敦帝国学院的遗传学家正在设计基因驱动蚊子。他们正在研究两种不同的方法来破坏冈比亚疟蚊的的生殖系统:减少雌性疟蚊的数量(因为只有雌性蚊子会咬人,而且雌性个体的数量通常决定着物种群体的大小),或者是让蚊子绝育。

        自20世纪70年代以来,在实验室里对生物个体进行基因改造并非难事,但是在整个种群中实现基因改造仍然是一个巨大挑战。通常转基因编码的一些特征因为缺乏进化上的积极意义,根据达尔文自然选择的结果不会被遗传给后代。另外,即使将实验室里改造的转基因个体释放到野外,相对于庞大的种群来说也只占很小的一部分,根据孟德尔遗传规律也会限制这些性状传播的速度。

        然而如今,研究人员发现了一种可以“欺骗”孟德尔遗传规律的解决方案:基因驱动器,这种遗传组件可以在有性繁殖种群中迅速传播某种性状。

        基因驱动器的研究得益于两个突破性的科学发现。

        早在2003年,伦敦帝国学院的进化生物学家Austin Burt就发现了一种巧妙的方法可以逃避遗传和进化的规律。

        一个多世纪以来,遗传学观点一直像19世纪着名的孟德尔豌豆试验显示的那样:在正常的有性生殖过程中大多数基因有50%的机会被遗传,一个后代可能携带父本或母本基因,例如乳糖消化基因。而进化生物学的观点自达尔文以来也没变化过:自然选择会消除降低生物体竞争能力的遗传性状,例如蚊子对杀虫剂DDT的易感性会随着传代慢慢减弱。

        在自然界一些基因会将自己复制到基因组中的多个地方,通过这些额外的拷贝数增加自己“获胜”——被遗传的概率。某些基因会破坏其他基因,确保它们自己能传给下一代。然而这种大自然存在的基因驱动现象是随机和不可预测的,Burt的发现表明通过某些生物学方法也能提高某个基因传给后代的概率,比标准的遗传和进化理论的概率更高。

        但是,由于当年基因突变实验方法的低效和繁琐,Burt的理论被搁置了近十年。直到一种大放异彩的生物技术出现。

        2012年6月,加州大学伯克利分校的Jennifer Duodna发表了一篇Science文章,证明了一种能有效地编辑基因的方法,可以在特定位点剪切并插入DNA序列,就像在word文字处理软件里的“查找和替换”功能。六个月后,另一位华人科学家张锋也成功地在植物和动物中实现了基因编辑。这种称为CRISPR-Cas9的系统使基因驱动变得简单易行。

        Burt说,“自20世纪70年代以来,我们已经能够对生物个体进行基因突变,而通过CRISPR制造基因驱动器,我们将有可能在更大的种群里实现基因改造。”

        目前,Austin Burt是盖茨基金会“进攻疟疾”项目的主要研究人员,他和其他研究者正在研究一个称为“X粉碎机”(X shredder)的基因,这种基因能破坏精子的X染色体,使所有生出的后代都是雄性。另外,他们也在寻找能使蚊子绝育的基因,这样可以雄性和雌性蚊子数量同时减少。

        牛津大学生物学家,负责“进攻疟疾”项目建模工作的Charles Godfray教授说,以上任何一种基因改造方法都可能在两到八年内导致蚊子种群数量大规模骤减。但科学家同时认为基因驱动蚊子不会使蚊子这种昆虫灭绝,只会减少冈比亚蚊的数量,这已足以阻止疟疾的传播。

        “我们对消灭冈比亚蚊不感兴趣,我们只是想消除疟疾。”盖茨基金会疟疾研究和开发的Scott Miller博士说道。

        虽然绝育蚊子听起来似乎无害,但生物学家宣称理论上具有100%遗传效率的“基因驱动器”可以在野生种群中快速传播新的DNA,这种技术显示出巨大的前景,也存在相当的风险。

        国际社会存在一些担心的声音。基因驱动器可以快速改变一个物种的整个种群属性,在几年内消灭几千年的进化特征。开弓没有回头箭。

        另外项目也要面对当地居民的挑战。研究人员需要确保村民们理解并接受这种新的遗传技术,打消他们对这些新生物的警惕。盖茨基金会表示,基因驱动蚊子只会在东道国同意后释放。

        现在距离基因驱动蚊子真正在布基纳法索被释放大约还有6年时间,但科学家们已经在BANA村庄部署前期实验,同时为全力争取当地居民的同意做最大努力。

        即使有诸多不确定性,布基纳法索的居民仍然对记者表示,他们感谢这些科学家的工作,并热切地期待消除可怕的疟疾。

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