转基因技术显身手:让蚊子来对抗传染病
麻省科技评论 · 2014/03/14
登革热是一种由病毒引起的疾病,为了对付在全球范围内多次大规模流行的传染病登革热,科学家们设计并培育出了一种转基因的埃及斑蚊。


图说:经过基因改造,可以发出荧光的蚊子幼虫。

加勒比海上的开曼群岛风景秀丽,是著名的旅游胜地之一。2011年,这里迎来一批陌生的客人,它们是由英国Oxitec公司和牛津大学的科学家合作培育出的一批转基因蚊子。科学家们希望在开曼群岛上检验自己的研究成果。为什么要培育这些转基因蚊子呢?因为它们也许对付困扰人类几百年的传染病登革热的新希望。

登革热和蚊子

登革热是一种由病毒引起的疾病,病人的骨骼和关节会出现极其剧烈的疼痛,所以登革热还有个别名叫断骨热。更严重的是,有些登革热病人会出现全身出血的严重情况,可能导致死亡。对于登革热的发病机制,科学家还没有研究得很清楚,人类也没有针对登革热的疫苗和特效药。21世纪以来,登革热在全世界的发病率有增高的趋势,世界卫生组织估计,每年全球会出现5000万至1亿登革热患者,其中大约25000人失去了生命。

不过,登革热病毒也有弱点:它只能通过蚊子感染人类。所以,如果能够有效地控制蚊子的数量,就能预防登革热的大规模流行。说起来容易做起来难,有效地杀灭蚊子是一件困难的工作。蚊子繁殖速度极快,1只蚊子一次可以产好几百颗卵。它的幼虫孑孓可以在几乎任何有水的地方生存。蚊子可以在池塘和积水的土地中产卵,也可以滋生于城市中的下水道,地漏,植物盆栽乃至马桶,甚至积水的易拉罐和鸡蛋壳中也能找到孑孓的踪迹。尤其在一些发展中国家的城市和农村,要杜绝这些蚊子需要的繁殖条件是一件不可能完成的任务。

杀虫剂是常见的控制蚊子的方法,不过杀虫剂往往特异性不高,会对包括人类在内的其它动物产生副作用,也会破坏环境。当蚊子对杀虫剂产生抗性以后,杀虫剂的效率会越来越低,使用量也会越来越大,引起很多问题。

转基因技术显身手

科学家一直在寻找更加具有针对性,也不那么容易产生抗性的灭蚊方法。雄性不育技术就是一种不错的办法。上世纪30年代左右,两位美国昆虫学家想出了一个好主意:如果能培育出可以够交配却没有能力繁衍后代的害虫,再把它们用适当的方法释放到环境中去,也许就能减少自然界中下一代害虫的数量。

如何才能培育出这样的“不育”蚊子呢?直到上世纪80年代左右,常见的方法是利用射线处理蚊子,以此得到失去繁殖能力的品种。对于蚊子的基因来说,射线就好象一架架缺乏制导技术的大型轰炸机,可以狂轰滥炸,但是却并不精确。所以,虽然生殖细胞对射线更敏感,但是射线引起的突变大体还是随机的。经过处理的蚊子,有些生育能力可能并没有变化,有些可能立刻就死亡了,还有一些虽然产生了不育的突变,但是也失去了交配能力,没法和野生的雄性蚊子竞争。所以,科学家们需要从经射线处理产生的很多千奇百怪的突变体中筛选出他们需要的品种。总的来说,用射线处理的效率不是很高。

从2000年开始,科学家尝试通过转基因技术来改造雄性蚊子。相对于比较盲目的射线处理方法,转基因技术更像是一把精确的手术刀。如果说射线处理只是随机地改变蚊子的基因组,那么转基因技术则可以根据科学家的需要,把某种特殊的基因转入蚊子的基因组,而几乎不影响无关的基因。所以,转基因技术比随机突变的可控性更强,也更有效。

不过,利用转基因蚊子来控制蚊群的最大困难在于,人工培育出的转基因蚊子在不能产生后代的同时,本身必须很有生命力,要能很好的存活和交配,而且还需要从释放地点扩散到较大的区域。如果一种转基因蚊子品种竞争不过自然存在的蚊子,就会很快被自然选择淘汰,达不到控制蚊子的目的。科学家在2000年作出的努力就失败了,他们培育出的转基因雄蚊的生活能力不强,放到野外以后就会很快死光。

“生产毒药的流水线”

2009年,转机终于出现。英国Oxitec公司和牛津大学的科学家合作,在登革热传播的“罪魁祸首”埃及斑蚊体内,插入了一个DNA片段。如果说蚊子体内的DNA是一个可以不断生产蛋白质的巨大工厂,那么这个DNA片段就像是工厂中一个车间的负责人,他的工人们可以持续不断地生产一种对蚊子幼虫有毒的产品。如果这位负责人收到了停产的指示,他就会指挥工人关掉机器,停止流水线,贴上封条。在这里,“停产的指示”是一种抗生素。当科学家加入这种抗生素时,“车间负责人”就收到了信号,不再生产“幼虫毒药”。所以,这种抗生素实际上起到一个“解毒剂”的作用。在实验室里,科学家用含有这种抗生素的培养基培养蚊子的幼虫,就好象在幼虫体内的“毒药流水线”上贴上了封贴。如果把转基因的成年雄性蚊子放到野外环境里,它们就可以自由地和野生的雌蚊交配并产卵。在野外孵化出的蚊子幼虫因为不能接触抗生素,所以无法活到成年阶段。科学家还聪明地在转基因蚊子的基因组里加入了一个荧光蛋白的基因,在特定的显微镜下,转基因的蚊子可以发出荧光,这样就可以帮助区分出转基因的蚊子和非转基因的蚊子。

2012年,英国科学家们又发现了一个更好的办法,在埃及斑蚊体内,存在着另外一个车间,这个车间负责生产帮助雌性斑蚊飞行的“产品”。只有在雌性斑蚊和飞行相关的肌肉里,这些产品才能被生产出来。在雄性斑蚊内,这种特殊的车间一直被贴着封条,从不工作。于是科学家通过转基因技术,强行让埃及斑蚊体内的这个特殊车间同时生产“毒药”以及可以接受接受“停产指示”。在雄性埃及斑蚊体内,因为这个车间不工作,所以毒药不能被生产出来,也就不能起作用。但是在雌性斑蚊的控制飞行的肌肉细胞中,“毒药”基因车间的控制下不断地生产“毒药”,杀死肌肉细胞,让斑蚊失去飞行能力。在实验室条件下,如果用抗生素喂养转基因的雌性埃及斑蚊,车间收到停产指示,不生产“毒药”,让蚊子保留飞行的能力。当这些蚊子被释放到野外以后,不再接触到抗生素,车间的封贴被揭开,工人开始上班,机器开始运作,“毒药”开始生产,雌蚊控制飞行的肌肉细胞会很快被杀死,雌蚊也就丧失了飞行能力。

对于野生的雌蚊来说,丧失飞行能力就意味着死亡,一个主要的原因是新孵化出的成虫无法脱离幼虫生长的水环境。而且如果不能飞,雌蚊会更容易被天敌捕食,也无法交配或者叮咬动物。通过这种方法产生的雄性蚊子,虽然不会死亡,但是体内带着贴着封条的“毒药”车间,而且,它可以通过遗传作用把这个致命的车间传给自己的雌性后代。一旦进入雌蚊体内,车间的封条就被揭下,“毒药”开始生产。所以,通过转基因技术培育出的雄性蚊子可以和野外的雌蚊交配,生出的雌蚊会在成年之前死亡,生出的雄蚊却可以存活并且通过交配继续产生雌性致死的后代。因为雄性蚊子不会叮咬动物和人类,所以这些转基因雄蚊不仅可以起到帮助蚊群“断子绝孙”的作用,而且还不会威胁到人类健康。目前,这种转基因蚊正在实验室中进行检验。

野外实验初见成效

Oxitec公司早一些时候研发出来的那种转基因埃及斑蚊品种已经完成了实验室的检验,开始进行野外试验。这种转基因蚊的后代会在幼虫期死亡,类似的,用抗生素培养幼虫则可以让它们正常发育,不过如果把成年的转基因雄蚊释放到环境中去,这些转基因的雄蚊和野生雌蚊交配以后产生的后代就会因为不能接触到抗生素而死亡。法国巴斯德研究所和马来西亚医学研究所都对这个转基因蚊子的品系进行了检测,研究发现它的性状非常稳定,可以至少保持60代。而且,和野生的蚊子相比,转基因蚊的生命,发育时间,产卵数量都没有减少,说明它有相当的竞争力。

2009年,Oxitec公司在南亚的大开曼岛上释放了转基因雄蚊。在结果良好的情况下,去年的5月和10月,研究人员进行了更大规模的释放。300万只在实验室中被培育出的转基因埃及斑蚊进入开曼群岛的野生环境中。实验结果很不错,转基因雄蚊有很强的竞争力,野生雌蚊交配对象的50%都是人工培育出的转基因雄蚊。在实验进行至6个月后,开曼群岛上的蚊子数量已经下降了80%。

通过培育转基因蚊子来控制蚊群有这么几个好处,首先,这是一种效率很高的灭蚊方法。雄性蚊子寻找雌蚊的能力可比人类要高明得多,有它们帮忙找雌蚊,就不用我们人类多操心了。而且,这种方法的精确度和特异性很高。雄性埃及斑蚊只会和同种的雌性交配,不太可能误伤其它物种,所以更加安全,对环境也更友好。另外,这种方法可以让那些不太富裕的国家和人受益。

下一步,研究人员准备对开曼群岛的环境做一个更加长期的评估,而且需要进行更大规模的检验,并且需要联合其它灭蚊方法来寻找最合适的策略。一些人担心转基因蚊子会影响生态环境,这种担心在现在看来并没有足够充分的证据。相对于人类已有的控制灭蚊的手段,例如大规模地喷洒杀虫剂,释放转基因蚊子看起来是一种更加保险的策略,更何况在大规模使用之前,它将被严格地进行检验。
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