Ang mga lamok na may built-in na 'genetic shield' ay humihinto sa malaria - bumaba ang mga rate ng impeksyon ng 93%

Pagtagumpayan ang paglaban sa insecticide: Paano ang isang solong pagbabago ng gene sa mga lamok ay nagpapalaganap ng sarili sa mga henerasyon, halos inaalis ang paghahatid ng malaria nang hindi nakompromiso ang kaligtasan.

Sa isang kamakailang nai-publish na pag-aaral sa Kalikasan, sinuri ng isang pangkat ng mga siyentipiko kung ang glutamine 224 (Q224) allele sa fibrinogen-related protein 1 (FREP1) ay nagre-render ng Anopheles stephensi mosquitoes na lumalaban sa impeksyon sa Plasmodium, tinantya ang mga gastos sa kaligtasan na nauugnay sa allele na ito, at sinubukan ang isang allelic generation drive na ito sa pamamagitan ng allelic gene drive.

Mga kinakailangan

Humigit-kumulang 600,000 katao ang namatay mula sa malaria noong 2023, karamihan ay mga bata sa sub-Saharan Africa at South Asia. Ang mga tradisyunal na paraan ng pagkontrol – kulambo, paggamot sa pamatay-insekto, antimalarial na gamot – ay nawawalan ng bisa dahil sa resistensya ng mga lamok at parasito. Nag-aalok ang mga teknolohiya ng gene drive na kumakalat ng mga kapaki-pakinabang na alleles sa pamamagitan ng populasyon ng lamok ng isang maaasahan at napapanatiling solusyon.

Ang protina ng FREP1 ay tumutulong sa mga parasito na tumawid sa midgut ng lamok, ngunit ang natural na variant na Q224 ay maaaring maiwasan ang impeksiyon nang hindi nakompromiso ang biology ng lamok. Ang layunin ay upang subukan kung ang naturang endogenous allele ay maaaring ligtas na maipamahagi upang mabawasan ang paghahatid ng malaria habang pinapanatili ang posibilidad na mabuhay ng lamok.

Tungkol sa pag-aaral

Gamit ang CRISPR/Cas9, dalawang strain ng Anopheles stephensi ang nilikha na naiiba lamang sa ika-224 na amino acid sa FREP1 na protina: isang ligaw na uri na may leucine (L224) at isang potensyal na proteksiyon na strain na may glutamine (Q224). Ang gabay na RNA ay nag-target ng isang intron na rehiyon na 126 bp sa itaas ng codon, na nagbibigay-daan para sa homologous recombination sa pagpasok ng isang fluorescent label (GFP o RFP).

Nasuri ang fitness sa pamamagitan ng haba ng pakpak, fecundity, egg hatchability, pupation, paglitaw ng may sapat na gulang, at habang-buhay (Kaplan-Meier survival analysis).

Natukoy ang kakayahan ng vector gamit ang karaniwang pagpapakain ng lamad ng Plasmodium falciparum (tao) at Plasmodium berghei (rodent) na mga parasito, na may bilang ng oocyst at sporozoite sa mga salivary gland.

Kasama sa allele drive system ang isang cassette na may gRNA laban sa L224 at Cas9 sa ilalim ng kontrol ng vasa promoter. Ang mga allele frequency ay sinusubaybayan gamit ang mga fluorescent na tag sa mga multi-cycle na eksperimento (10 henerasyon). Ang genotyping ay isinagawa gamit ang PCR, Sanger sequencing, at NGS. Ang pagmomodelo ng Bayesian ay tinantyang conversion ng allele, mga gastos sa fitness, at dynamics sa panahon ng libreng pagsasama sa laboratoryo.

Mga resulta

Ang FREP1Q224 allele ay hindi nagdulot ng malaking pagkalugi sa kaligtasan: haba ng pakpak, fecundity, pagpisa, pupation, at paglitaw ng may sapat na gulang ay magkapareho sa kontrol ng FREP1L224. Ang mga maliliit na pagkakaiba sa laki at habang-buhay ng lalaki ay hindi nakaapekto sa pagiging mapagkumpitensya. Ang mga babaeng Virgin FREP1Q224 ay nabuhay hangga't ang mga kontrol, at ang mga babae pagkatapos ng pagpapakain ng dugo ay nagpakita lamang ng kaunting pagbaba sa habang-buhay.

Ang mga pagsubok sa hamon ay nagsiwalat ng markadong proteksyon sa mga homozygotes.

• Sa mababang konsentrasyon ng P. falciparum gametocytes (0.08%):
  • Bumaba ang rate ng impeksyon mula 80% hanggang ~30% sa FREP1Q224;
  • Average na bilang ng mga oocyst: mula 3 hanggang 0;
  • Sporozoites sa salivary glands: mula >4000 hanggang 0.
• Sa mas mataas na gametocythemia (0.15%):
  • Average na bilang ng mga oocyst: mula ~32 hanggang
  • Ang mga sporozoite ay bumaba rin nang husto.
• Para kay P. berghei:
  • Average na bilang ng mga oocyst: mula 43 hanggang 25;
  • Sporozoites: mula ~19,000 hanggang 11,000.
• Ang Heterozygotes (FREP1L224/Q224) ay hindi protektado.

Ang kahusayan sa pag-drive ng gene

• Sa mga ipinares na krus, na-convert ng Cas9 + gRNA L224 ang 50 hanggang 86% ng FREP1L224 alleles sa FREP1Q224;
• Sa maternal Cas9, ang dalas ay mas mataas;
• Sa ika-2 henerasyon, ang dalas ng proteksiyon na allele ay umabot sa 93%;
• Ang saklaw ng error sa daanan ng pag-aayos ng NHEJ ay mababa (0–12%) at kadalasang nagdulot ng pinsala.
• Sa mga populasyon ng cell na may ratio ng donor:recipient na 1:3, tumaas ang frequency ng FREP1Q224 mula 25% hanggang >90% sa loob ng 10 henerasyon;
• Ang dalas ng NHEJ alleles ay bumaba mula 5.4% hanggang

Sinuportahan ng Bayesian modeling ang hypothesis ng mataas na conversion, mababang dalas ng stable mutations at isang lethal sterile mosaicism effect, kung saan ang WT homozygotes na may maternal Cas9 genotype ay nagdusa mula sa somatic mutations at nabawasan ang kaligtasan.

Ang mga susunod na henerasyon ay nagpakita ng halos kumpletong pagsugpo sa P. falciparum oocysts (median 0 hanggang 5.5), na nagpapatunay na ang populasyon ay higit na naging matigas ang ulo sa paghahatid ng parasito.

Ang proteksiyon na allele ay walang mga nakatagong benepisyo o epekto, at ikinalat sa pamamagitan ng pagmamaneho.

Mga konklusyon

Natuklasan ng pag-aaral na ang pagpapalit ng isang amino acid sa FREP1 na protina at paglilipat ng mana nito gamit ang isang gene drive ay maaaring gawing halos immune si Anopheles stephensi sa malaria – kapwa tao at hayop na daga – nang hindi nakompromiso ang posibilidad na mabuhay ng mga lamok.

Ang diskarte na ito ay umaakma sa mga kasalukuyang hakbang (mga lambat, pamatay-insekto, gamot) na ang pagiging epektibo ay nababawasan ng paglaban. Ang ganitong sistema ay maaari ding gamitin upang maibalik ang pagiging sensitibo sa mga pamatay-insekto o ipakilala ang iba pang mga proteksiyon na alleles.

Bago maipatupad ang teknolohiya, ang mahigpit na kapaligiran, etikal at mga balangkas ng pamamahala, gayundin ang mga sistema para sa pagkontrol sa pagpapakalat, ay kailangan.