A beépített „genetikai pajzsmal” rendelkező szúnyogok megállítják a maláriát – a fertőzési arány 93%-kal csökken

A rovarirtó szerekkel szembeni rezisztencia leküzdése: Hogyan terjed egyetlen génmódosítás a szúnyogokban generációkon keresztül, gyakorlatilag kiküszöbölve a malária terjedését a túlélés veszélyeztetése nélkül?

A Nature folyóiratban nemrégiben publikált tanulmányban egy tudóscsoport megvizsgálta, hogy a fibrinogénhez kapcsolódó 1-es proteinben (FREP1) található glutamin 224 (Q224) allél rezisztenssé teszi-e az Anopheles stephensi szúnyogokat a Plasmodium fertőzéssel szemben, becsülte meg az allélhoz kapcsolódó túlélési költségeket, és tesztelt egy allélgén-meghajtó rendszert, hogy ezt a védő mutációt a populációkban terjessze.

Előfeltételek

2023-ban körülbelül 600 000 ember halt meg maláriában, többségében gyermekek a szubszaharai Afrikában és Dél-Ázsiában. A hagyományos védekezési módszerek – szúnyoghálók, rovarirtó kezelések, maláriaellenes gyógyszerek – veszítenek hatékonyságukból a szúnyogok és paraziták rezisztenciája miatt. A géntechnológiák, amelyek hasznos allélokat terjesztenek a szúnyogpopulációkban, ígéretes és fenntartható megoldást kínálnak.

A FREP1 fehérje segíti a parazitákat a szúnyog középbelén való átjutásban, de a Q224 természetes variánsa megakadályozhatja a fertőzést anélkül, hogy veszélyeztetné a szúnyog biológiáját. A cél annak tesztelése volt, hogy egy ilyen endogén allél biztonságosan eloszlatható-e a malária terjedésének csökkentése érdekében, miközben fenntartja a szúnyog életképességét.

A tanulmányról

CRISPR/Cas9 felhasználásával két olyan Anopheles stephensi törzset hoztak létre, amelyek csak a FREP1 fehérje 224. aminosavában különböztek egymástól: egy vad típust leucinnal (L224) és egy potenciálisan védő törzset glutaminnal (Q224). A vezető RNS a kodon előtt 126 bp-val felfelé lévő intron régiót célozta meg, lehetővé téve a homológ rekombinációt egy fluoreszcens jelölés (GFP vagy RFP) beillesztésével.

Az alkalmasságot szárnyhossz, termékenység, tojás keltethetősége, bábozódás, kifejlett egyedek megjelenése és élettartam alapján értékelték (Kaplan–Meier túlélési analízis).

A vektorkompetenciát Plasmodium falciparum (ember) és Plasmodium berghei (rágcsáló) paraziták standard membrántáplálásával határoztuk meg, a nyálmirigyekben oociszta és sporozoita számot mérve.

Az allélmeghajtó rendszer egy kazettát tartalmazott, amely az L224 és Cas9 elleni gRNS-t tartalmazta a vasa promoter szabályozása alatt. Az allélfrekvenciákat fluoreszcens jelölők segítségével monitoroztuk többciklusos kísérletekben (10 generáció). A genotípus-meghatározást PCR-rel, Sanger-szekvenálással és NGS-sel végeztük. A Bayes-modellezés becsülte meg az allélkonverziót, az alkalmassági költségeket és a dinamikát a laboratóriumi szabad párzás során.

Eredmények

A FREP1Q224 allél nem okozott jelentős túlélési veszteséget: a szárnyhossz, a termékenység, a kikelés, a bábozódás és a kifejlett egyedek megjelenése megegyezett a FREP1L224 kontrolléval. A hímek méretében és élettartamában mutatkozó kis különbségek nem befolyásolták a versenyképességet. A szűz FREP1Q224 nőstények ugyanolyan sokáig éltek, mint a kontrollok, és a vérrel etetett nőstények élettartama csak kismértékben csökkent.

A kihívásos kísérletek jelentős védelmet mutattak ki a homozigótákban.

• Alacsony P. falciparum gametocita koncentrációknál (0,08%):
  • A fertőzési arány 80%-ról ~30%-ra csökkent a FREP1Q224-ben;
  • Az oociszták átlagos száma: 3-tól 0-ig;
  • Sporozoiták a nyálmirigyekben: >4000-től 0-ig.
• Magasabb gametocitémia esetén (0,15%):
  • Az oociszták átlagos száma: ~32-től
  • A sporozoiták száma is drámaian csökkent.
• A P. berghei esetében:
  • Az oociszták átlagos száma: 43-tól 25-ig;
  • Sporozoiták: ~19 000 és 11 000 között.
• A heterozigóták (FREP1L224/Q224) nem voltak védettek.

Génhajtás hatékonysága

• Párosított keresztezésekben a Cas9 + gRNS L224 a FREP1L224 allélok 50-86%-át FREP1Q224-gé alakította;
• Az anyai Cas9 esetében a gyakoriság magasabb volt;
• A 2. generációban a védő allél gyakorisága elérte a 93%-ot;
• Az NHEJ javítási útvonal hibájának előfordulása alacsony volt (0–12%), és jellemzően károsodást okozott.
• Az 1:3 donor:recipiens arányú sejtpopulációkban a FREP1Q224 gyakorisága 10 generáció alatt 25%-ról >90%-ra nőtt;
• Az NHEJ allélok gyakorisága 5,4%-ról

A Bayes-modellezés alátámasztotta a magas konverzió, a stabil mutációk alacsony gyakorisága és a letális steril mozaicizmus hatás hipotézisét, ahol az anyai Cas9 genotípusú vad típusú homozigóták szomatikus mutációktól és csökkent túléléstől szenvedtek.

A későbbi generációk a P. falciparum oociszták szinte teljes elnyomását mutatták (medián 0 és 5,5 között), ami megerősíti, hogy a populáció nagyrészt ellenállóvá vált a parazita átvitelével szemben.

A védő allélnak nem voltak rejtett előnyei vagy mellékhatásai, és ösztönösen terjedt.

Következtetések

A tanulmány megállapította, hogy egyetlen aminosav helyettesítése a FREP1 fehérjében és öröklődésének megváltoztatása egy génmeghajtás segítségével gyakorlatilag immunissá teheti az Anopheles stephensi-t a maláriával szemben – mind az emberben, mind a rágcsálókban – anélkül, hogy veszélyeztetné a szúnyogok életképességét.

Ez a megközelítés kiegészíti a meglévő intézkedéseket (hálók, rovarirtók, gyógyszerek), amelyek hatékonyságát a rezisztencia csökkenti. Egy ilyen rendszer felhasználható a rovarirtó szerekkel szembeni érzékenység helyreállítására vagy más védő allélok bevezetésére is.

Mielőtt a technológia bevezethető lenne, szigorú környezetvédelmi, etikai és irányítási keretrendszerekre, valamint a terjesztés ellenőrzésére szolgáló rendszerekre van szükség.