2025年1月24日，北京大學生命科學學院Jackson Champer課題組與合作者在《Nature Communications》期刊上發表了題為“Gene drive-based population suppression in the malaria vector Anopheles stephensi”的研究論文。該研究利用基因驅動系統成功構建了不育斯氏按蚊品系，透過抑制其繁殖能力以降低種群數量，為開發更為高效、環保的瘧疾防控工具提供了重要的研究基礎。
瘧疾是全球最嚴重的傳染病之一，每年導致數十萬人死亡。斯氏按蚊（Anopheles stephensi）是亞洲地區重要的瘧疾傳播媒介，近年來在非洲部分地區也呈現入侵趨勢。傳統的瘧疾防控手段主要依賴化學殺蟲劑控制媒介種群，但長期使用殺蟲劑導致蚊蟲抗藥性問題日益嚴重，防治效果逐漸下降。基因驅動技術作為一種新興的遺傳控制工具，能夠透過抑制蚊蟲繁殖能力減少種群數量，從而阻斷蚊媒疾病的傳播。與傳統化學手段相比，基因驅動技術具有物種特異、環境友好等優點，是潛在的替代策略。
目前最為強大的基因驅動系統是基於CRISPR-Cas9基因編輯技術的歸巢基因驅動（homing gene drive）。在攜帶驅動等位基因的雜合子中，驅動等位基因透過表達Cas9/gRNA靶向切割野生型等位基因，產生DNA雙鏈斷裂，再透過細胞自身的同源定向修復機制實現雜合子到純合子的轉變，即發生“歸巢（homing）”。在種系中發生歸巢，可使後代的驅動等位基因遺傳率超過50%，從而實現“超孟德爾遺傳”。這種遺傳方式能夠使驅動等位基因在種群中快速傳播。然而，當細胞採用末端連線修復而非同源定向修復時，可能導致野生型等位基因產生突變並且無法再被Cas9/gRNA識別和切割，從而形成抗性等位基因，阻礙驅動系統在種群中的傳播。因此，減少抗性等位基因（特別是功能性抗性等位基因）的產生，對於構建高效基因驅動系統至關重要。
透過靶向生殖或生長發育關鍵基因設計基因驅動，可實現種群抑制的目的。前人已在非洲瘧疾媒介甘比亞按蚊Anopheles gambiae中針對性別決定基因dsx構建歸巢基因驅動，透過破壞雌性特異轉錄本以抑制雌蚊生育能力，並最終消滅蚊蟲種群1。該系統表現出極高的驅動遺傳率，在小型籠養實驗中能夠迅速傳播併成功抑制種群，但在大規模野外釋放的實際應用中，該系統仍然面臨諸多挑戰。例如，基因驅動可能因靶點產生功能性抗性等位基因而失效。此外，雌性雜合子適合度的下降也可能削弱其種群抑制效果。因此，需要進一步最佳化基因驅動策略。目前，在亞洲重要瘧疾媒介斯氏按蚊中，尚未建立用於種群抑制的基因驅動系統，相關研究亟待推進，以應對其傳播瘧疾的嚴峻挑戰。
針對這些問題，研究團隊在前期計算建模研究2的基礎上，針對斯氏按蚊dsx基因位點開發了一種歸巢基因驅動，並採取多種最佳化方式提升其效能。例如，採用多個gRNA靶點以減少功能性抗性等位基因的產生，以及選用不同的Cas9啟動子以降低雌性的適合度代價。研究團隊成功透過顯微注射獲得了帶有驅動元件的轉基因品系，並透過雜交實驗測試驅動效率。結果表明，該驅動系統在斯氏按蚊雌雄蟲中均表現出中等的驅動遺傳率（圖1）。
圖1 種群抑制型基因驅動。（A）基因驅動元件（HSDdsx）設計。（B）種群抑制型歸巢驅動原理示意圖。（C）雌雄雜合子的後代驅動遺傳率分析
進一步觀察發現，攜帶驅動等位基因的雜合雌雄個體均可育，表型與野生型相似；但驅動純合的雌性和雄性均不育，表現出間性表型（圖2）。這與甘比亞按蚊中的報道有所差異，後者僅在純合雌性中觀察到不育間性表性。計算模型顯示，該系統僅在純合雄性可育且存在競爭或捕食壓力的情況下能夠成功抑制目標種群。這一結果強調了在構建種群抑制型基因驅動時進行特定物種評估的必要性。此外，深度測序分析表明該系統的抗性等位基因的形成率極低，並且未檢測到功能性抗性等位基因，符合實驗預期。
圖2 形態學分析。XX和XY分別表示基因水平上的雌性和雄性。
圖3 HSDdsx與 vasa-Cas9 品系雜交方案及後代中的驅動遺傳情況。（A）雜交流程示意圖。（B）不同品系的熒光表型示意圖。（C）兩種等位基因遺傳率分析
為了進一步提高歸巢效率，研究團隊將該驅動品系與一個攜帶vasa-Cas9表達元件的轉基因品系結合，構建組合驅動系統以提高Cas9/gRNA在種系中切割靶基因的效率。實驗結果顯示，該組合驅動可將雄性的驅動遺傳率提高到100%，同時導致雌性雜合子不育（圖3）。計算模型顯示，與目前已投入實際應用的昆蟲不育技術（SIT）和雌性特異性釋放攜帶顯性致死基因昆蟲技術（fsRIDL）相比，類似的組合驅動能夠在更低的釋放率下實現種群抑制，展現出更強的種群控制能力。而與歸巢驅動相比，該系統對於目標種群外的其它種群影響更小，生物安全風險更低。
這項研究不僅首次在斯氏按蚊中成功構建了種群抑制型基因驅動，也為其他蚊媒傳染病的防控提供了重要的技術參考。隨著基因驅動系統的不斷發展和最佳化，它有望成為一種高效、環保的種群控制工具，在未來大幅減少瘧疾等蚊媒傳染病的傳播，為全球公共衛生安全做出重要貢獻。
這項工作由北京大學生命科學學院Jackson Champer課題組和重慶師範大學生命科學學院何正波課題組合作完成。北京大學生命科學學院博士後徐雪嬌為論文第一作者，Jackson Champer研究員、何正波教授和博士後徐雪嬌為共同通訊作者。這項工作得到了國家自然科學基金、北京大學和北大-清華生命科學聯合中心的支援。
參考文獻：
1. Kyrou, K. et al. A CRISPR-Cas9 gene drive targeting doublesex causes complete population suppression in caged Anopheles gambiae mosquitoes. Nat Biotechnol 36, 1062–1066 (2018).
2. Champer, S. E., Kim, I. K., Clark, A. G., Messer, P. W. & Champer, J. Anopheles homing suppression drive candidates exhibit unexpected performance differences in simulations with spatial structure. Elife 11, e79121 (2022).
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-56290-2#Sec10
原文連結：
https://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/17597.html
