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基因编辑技术能让蚊子在地球上“消失”?我们有必要这样做吗?

日期: 2019年07月25日


    

经过这个夏天,你是不是由衷地希望世界上再也不要有蚊子了呢?新的基因编辑技术或将成为科学家们消灭疟疾和寨卡病毒携带者——蚊子——的有力武器。但我们应该使用这种武器吗?

 

蚊子携带着病毒

 

在世界各个地方,蚊子携带着病毒或者寄生虫,传播着疾病,这让世界各国卫生部门头痛不已。一个多世纪以来,人类一直在与蚊子做着斗争。在这场漫长的人蚊大战中,人们试过了各种各样的“武器”,如可吃掉蚊子幼虫的鱼、蚊帐、纱窗、杀虫剂、蚊香、捕蚊器、电蚊拍,甚至卷起的报纸。无奈所有这些“武器”均效果有限。水坑会再次涨满水,滋生蚊子;同时,蚊子的变异能力增强,人们对付蚊子的任何手段,蚊子都能很快产生抗性。

 

灭蚊行动一直在持续

 

20世纪30年代,人类不得不使用剧毒农药,比如DDT来消灭蚊子。DDT是瑞士化学家穆勒发明的一种专门针对蚊子的“大规模杀伤性武器”,能够大规模杀灭蚊子。DDT的出现,杀灭了大量蚊子,抑制了疟疾的泛滥。

 

挽救了无数人的生命。但人们逐渐发现,尽管DDT为解决疟疾作出了卓越的贡献,穆勒因此还获得了诺贝尔生理学或医学奖,但是DDT的滥用也带来了严重的环境问题。DDT杀灭蚊子的同时,无形中也消灭了大量其他昆虫(多数为益虫),同时还导致了一些鸟类等生物的灭绝,对生态环境造成了严重危害。而且,DDT还会残留在农作物中,对人类造成不利影响。许多国家纷纷禁止使用DDT,于是人类对付起蚊子来又力不从心了。不过,在“疟疾致人死亡”和“DDT危害环境”的利弊相权之下,在疟疾严重的地区——非洲,还是不得不继续使用高危的DDT。

 

20世纪50年代开始,美国昆虫学家爱德华·F·奈普林在美国和中美洲很多地区根除了农业害虫螺旋蛆(螺旋蛆并不真的是虫,它实际上是一种蝇)。采用“昆虫绝育技术”,繁殖并孵化了数百万的螺旋蛆蝇卵,用伽马射线使雄性螺旋蛆幼虫绝育,待螺旋蛆长大后,后将这些绝育的螺旋蛆放生野外,数量足以超过野生种群。交配后的雌性螺旋蛆与绝育的螺旋蛆再也不会产卵繁殖了。这一研究过程花费了数十年,但起到了预期的效果,奈普林与另一位昆虫学家因此于1992年获得了世界粮食奖。现在,这一项技术正被运用于控制地中海果蝇的爆发。

 

然而,将昆虫不育技术运用于消灭蚊子,结果好坏参半。也是在半世纪前,在印度展开的一项灭蚊实验中,科学家试图释放改造过的蚊子去对付野生蚊子。科学家通过对雄蚊进行辐射,使其绝育,然后放飞到大自然中,让它们去跟自然界的野生雄蚊竞争,希望通过那些和不育雄蚊交配的雌蚊无法繁衍后代,从而从数量上控制蚊子。

 

不过,运用这一技术的核心在于有多少蚊子进入环境,同时又有多少放生绝育的雄蚊能够竞争过野外的雄性种群与雌蚊进行交配却不清楚。证据表明,使雄蚊绝育的辐射可能也会影响其交配行为,因为这些绝育的雄蚊似乎缺少吸引雌蚊进行交配的某种东西。最终,这项试验被迫中止。

 

寨卡病毒爆发的“罪魁祸首”

 

虽然辐射不育蚊子的试验被迫中止,但人们想要杀死蚊子的想法一直没有泯灭。埃及伊蚊促使科学家开发特殊基因蚊子。

 

英国一家生物技术公司和英国牛津大学合作,开始在巴西东南部的皮拉西卡巴试用一项不需要进行辐射的昆虫不育技术,目标是埃及伊蚊。

 

目前,全球约有3000多种蚊子,人类最想要消灭的病媒蚊子主要是按蚊(即疟蚊)、伊蚊(黄热病、登革热和寨卡病毒的主要传播媒介)和库蚊(传播西尼罗河和圣路易斯型脑炎及其他病毒)这三种。其中,伊蚊是蚊子科中最大的属。埃及伊蚊则属于伊蚊属中的一种,也是对人类危害最大的蚊子之一,因为埃及伊蚊是黄热病、登革热和寨卡病毒这些致病因子的主要携带者和传播者,是人类传染病爆发的“罪魁祸首”。

 

早在2009年和2010年,美国一些地方相继爆发了登革热。虽然大家都很清楚控制了埃及伊蚊就能控制这一疾病的传播,但实际做起来还是力不从心。在花费了数亿美元后,蚊子还是没有得到有效的控制。本来,用基因技术灭杀蚊子的目标是避免登革热,后来寨卡病毒也成为了研究的重要目标。

 

在过去几个月中,寨卡病毒被认为与美洲爆发的婴儿出生缺陷存在一定关联。因此灭蚊行动变得更为紧迫,因为寨卡病毒也是由埃及伊蚊传播的疾病。该病毒可以侵入我们身体的许多部位,导致我们出现发烧、关节疼痛、结膜炎、头痛、皮肤病等病症。它对孕妇威胁极大,如果孕妇感染,可能导致新生儿小头症甚至胎儿死亡。更麻烦的是,寨卡病毒迄今未有疫苗。而寨卡疫情依旧在蔓延,对付寨卡病毒最好的方法就是大规模地消灭蚊子。

 

那么,基因技术如何杀死埃及伊蚊呢?依据英国牛津大学的计划,科研人员先在实验室里将红色荧光蛋白基因与四环素基因同时转移到埃及伊蚊幼虫的基因组中。之后,埃及伊蚊幼虫身上会发出红色荧光,科研人员可以轻松鉴别出这种特殊基因蚊子,它们的生活离不开四环素——四环素可抑制其体内的致死基因。

 

这种特殊基因荧光雄蚊很受野生雌蚊青睐。荧光雄蚊与野生雌蚊进行交配后,野生雌蚊只能繁殖出特殊基因埃及伊蚊幼虫。由于野外缺乏足够的四环素,这些特殊基因埃及伊蚊幼虫所携带的致死基因便会启动产生大量毒素,最后导致特殊基因埃及伊蚊幼虫很快夭折(最晚可在埃及伊蚊能够繁殖后代之前死亡),达到减少埃及伊蚊数量的目的。

 

在巴西、巴拿马和开曼群岛的小范围内进行的5项研究表明,在放飞了特殊基因埃及伊蚊后,使得当地野生伊蚊群的数量减少了90%以上,达到了预期效果。目前,开发者计划在美国亚热带地区进行释放实验。最近,他们通过了一项关键的监管审查,打算在美国佛罗里达群岛进行一次实验,因为那里正在爆发埃及伊蚊传播的寨卡病毒。

 

英国牛津大学开发的这项昆虫不育技术不使用基因驱动,目标也不是要根除埃及伊蚊,而是减少当地埃及伊蚊的数量,使其不再能大肆传播病毒感染人类。当然,这可以暂时解决蚊子这一长期存在的问题。但同时,在许多公众对特殊基因技术充满疑虑的今天,这样的实验必定面临许多争议。比如,对基因改造产生的这些毒素,蚊子也可能进化出抗性或者解毒机制,从而让这种手段失效。到那时,蚊子的繁殖又会回到目前的状态。

 

用基因驱动技术修饰蚊子

 

说起冈比亚按蚊,可能大多数人觉得陌生,但是听到冈比亚按蚊的“劣迹”,大家可能都会欲除之而后快了。按蚊又称疟蚊,是蚊科下的一属。其中有30~40种是疟原虫属生物的寄主,会传播疟疾给人类。

 

冈比亚按蚊是按蚊家族中最臭名昭著的一种(虽然严格来说仅指雌性按蚊),因为它是最危险的疟原虫(寄生虫)的宿主。被冈比亚按蚊咬一口只是一个小麻烦,但如果这只按蚊碰巧携带了恶性疟原虫,结果就不那么乐观了。它们是非洲野外,尤其是撒哈拉沙漠以南的非洲地区的重要传疟媒介,也是寄生虫学研究的模式生物之一。

 

雌按蚊叮咬人类时,会在吸血的过程中,将寄生虫传播进人体,使人感染,尤其是儿童。虽然自2000年以来,全球通力合作已使全球的疟疾死亡率降低了约50%。不过,据世界卫生组织统计,2015年仍然有超过40万疟疾死亡病例,其中大多数病例发生在非洲,而冈比亚按蚊正是非洲撒哈拉沙漠以南地区最主要的疟疾传播媒介。近日,比尔·盖茨与梅琳达基金会宣布投入5亿多美元用于发展中国家传染性疾病防治,且已把防治疟疾作为重中之重。其中部分资金拨给了英国伦敦大学帝国理工学院安德里亚·克里斯蒂教授带领的实验室。

 

克里斯蒂曾在罗马接受过医疗培训,打算成为一名医生。后来,他在海德堡学习分子生物学,对疟疾防治产生了浓厚的兴趣。大约30年前,克里斯蒂指出,根除疟疾的最佳方法就是改造蚊子。于是,他就开始研究冈比亚按蚊。

 

1994年,克里斯蒂进入英国伦敦大学帝国理工学院。当时,科学家们已经发现如何将有益的基因突变,例如,将天然杀虫剂Bt的基因,植入玉米等农作物中。那么,为何不将一种特定基因准确添加到那些传播病毒或寄生虫的蚊子DNA中呢?克里斯蒂迅速采用了这一方法。

 

实际上在自然界中,并不是所有蚊子都会携带病毒和寄生虫,这些蚊子,应该是有某种抗体来对抗病毒和寄生虫。如果把这些抗体基因转移到那些会传播疟疾的蚊子体内,那么问题不就解决了吗?

 

不过在野外,蚊虫随机交配,并按照孟德尔遗传规律进行繁殖,这决定了基因突变传播速度较缓慢。一个能产生抗体的蚊子,到了自然界跟野生同类交配之后,第2代中携带这些抗体基因的只有一半,到第3代中更只有四分之一。也就是说,即使有了这样的蚊子,释放到自然界之后,它们的目标基因也会逐渐被“稀释”。几代之后,这些目标基因都不一定能够发挥作用了。

 

早在2003年,克里斯蒂教授的同事奥斯丁·伯特提出了一个解决方案,打破了孟德尔遗传规律。它的目标是,将理想的目标基因与可以改写遗传和进化过程的“基因驱动”相结合,依靠DNA剪切技术的基因偏向操作去改变物种,从而控制疾病的传播。

 

简单来说就是通过“基因驱动”,确保目标基因能够在所有染色体上都能呈现出来。也就是说,带有目标基因的蚊子所产生的所有后代,都会仍然保持携带目标基因。而且,只要是与带有目标基因的蚊子交配,所产生的后代都一定携带目标基因,即“基因驱动”技术使用的基因可多代遗传。

 

因此,理论上讲,通过这个方法,将某种单一的基因注入一个种群内的每一只蚊虫中是可行的。在之后的十几年内,克里斯蒂和高级研究员托尼·诺兰一直致力于完善这一基因偏向技术,其挑战在于创建特定的“基因驱动”从而复制这些目标基因。但是,制作可剪断DNA的特制酶的过程枯燥,还需花费大量人力物力进行操作,在CRISPR技术出现之前,这种基因编辑方法发展十分缓慢,需耗时数年,困难且昂贵。

 

用CRISPR-Cas9技术编辑蚊子基因组

 

美国加州大学研究员罗德纳·杰妮芙的研究小组提出了一种具有革命性意义的基因编辑技术——用CRISPR-Cas9技术编辑蚊子基因组。

 

CRISPR-Cas9技术利用与某段特定的DNA序列互补的RNA来进行标记,用的是一种产自细菌名为Cas9的代表值。这种酶具有“切割”染色体脱氧核糖核酸的功能,可附着在X染色体上并起到破坏作用,使这些蚊子只能繁衍出雄性后代。初期实验结果显示,用这种基因技术改造过的蚊子所产后代中,约95%是雄性,到第6代时,这些蚊子会因为缺少雌性而无法繁衍。

 

自CRISPR技术在2012年出现以来,它显著地缩短了研究人员重写生物体DNA的时间。医学家和生命科学家们很快看到了这一技术在编辑修改人类致病基因以及策略性地改造蚊子基因组的潜力。

 

数年前,科研人员已经知道细菌的某些基因有较短的重复性的DNA序列。当病毒入侵时,细菌为了抵御外源DNA的入侵,在前导区的调控下,CRISPR被转录为RNA。酶Cas9将引导其RNA结合至入侵病毒基因中的指定序列,便于其进行剪切。酶Cas9将剪切入侵的DNA序列,准确度较高,之后细胞的修复机制将断开的切口重新整合到一起。

 

杰妮芙的研究小组在实验室里利用这一机制,可迅速轻松地编辑目标基因。次年,MIT生物工程师张峰和哈佛大学乔治·克里各自指导的科研团队在活细胞中运用了这一技术。

 

CRISPR-Cas9系统的普遍适用性和准确率优于其他基因编辑技术。不同于克里斯蒂的团队一直苦心研究的定制酶,CRISPR-Cas9似乎适用于任何类型的细胞。研究人员认为CRISPR-Cas9有望应用于治疗遗传性疾病、促进农业发展等领域。CRISPR也有助于实现克里斯蒂阻止疟疾传播的梦想,现在,他的团队可以利用CRISPR-Cas9引导RNA确定基因的任何部分,进而转移他们想复制的材料。

 

如果运用CRISPR-Cas9的方法奏效,从理论上讲,人类可以使任意一种蚊子灭绝。几千年来,人类数量不断增加,人类捕食、射杀其他物种,摧毁其他物种栖息环境或偶然间引入其天敌,使得很多物种濒临灭绝。但科学家们从未出于任何原因可以让某个物种消失。现在CRISPR-Cas9技术的出现也为我们提出了三大难题: 这一方法会有效吗?这样做道德吗?会不会引起不可预见的可怕后果?

 

在野外灭绝蚊子的希望有多大?

 

意大利大学的科比·佩鲁贾对此进行了下一阶段的研究。佩鲁贾拥有一家规模较小的高级研究所,其中一间实验室内有六个与天花板一样高的“笼子”,每一个笼子约占5~6平方米的面积。门上贴着标示,让可能已经感染疟疾的访问者绕行,因为如果“笼子”逃跑出来的蚊子叮咬了他们,蚊子可能会受到感染。

 

“笼子”里面很热,雌蚊主要吸食牛血。将“笼子”加热至体温,并覆盖上石蜡以便雌蚊可站在上面吸血。雌蚊会被人体汗液中,尤其是脚汗中的信息素吸引。实验室工作人员说他们有时周一会将他们周末穿的袜子带到实验室,挤出汗液滴到喂食的碟子上。

 

在实验室内,通过灯光变化模拟热带地区的环境,环境暗示会触发蚊子的群体行为,这一行为对交配至关重要。首席昆虫学家克劳莉娅·奥利瓦解释说:“这是很多昆虫进行交配的方式。雄蚊成群地飞来飞去,雌蚊通过群体行为找到伴侣,并在空中结伴飞行。如果你无法复制这一模式,你就不能确定提出的方法在野外是否会成功。如何让CRISPR-Cas9技术在野外使用以达到在实验室中的效果,这是我们接下来的要做的事情。而且,采用CRISPR-Cas9技术能够使得蚊子种群中雌性的数量不断减少,但也可能导致种群灭绝。”

 

毫无疑问,消除按蚊和伊蚊可以挽救许多生命,对于大多数人来说,这是个让讨厌的蚊子彻底灭绝的很好的理由。佩鲁贾说道:“我并不认为如果当地某种物种的种群被淘汰是一件糟糕透顶的事情,如果担心生物学手段可能导致它们灭绝,那么人类第一次对着蚊子喷洒化学药剂时,为什么没有过这种担心呢?利用各种技术对抗登革热、疟疾,毫无疑问是正确的,因为死于登革热、疟疾这两种疾病的人数远大于战争伤亡。我们一定要认识到这个前提。”

 

美国斯坦福大学法学教授、生物伦理学家亨利认为:“如果人类故意让某种物种灭绝,而对生物链产生负面的影响,我们应该想想这个做法对不对。但如果要对蚊子进行一次彻底的灭绝,为什么不呢?我觉得我想要灭绝蚊子的理由远比留下它要多太多。据我所知,目前几乎没有证据显示蚊子在食物链中扮演十分重要且不可替代的角色。难道,吃蚊子的昆虫或动物就没有别的吃的了吗?我认为我们的生活不会因为蚊子灭绝而发生什么改变,但如果换作是哺乳动物或鸟类,我表示很担忧。”

 

如果蚊子彻底从这个世上消失,还是有益处的。尽管这可能会产生一些未知的后果(常常是无法避免的),但只要蚊子灭绝,仅在未来数年内,就能挽救百万人的性命,节省数亿的开支,同时,还能够缓解生活在最贫困地区的人们所要经受的苦楚。

 

利用基因编辑技术,是防治登革热、疟疾和塞卡病毒引发的婴儿小头症等传染病优先,还是保护生态平衡优先,可能不同的人会有不同的看法,但是人类与蚊子做斗争的步伐还远未停止。

 

螺旋蛆

 

这种寄生生物的犯罪档案让人不安。为了找到宿主,成年的雌螺旋蛆会寻找动物暴露在外的肉体(通常是某种家禽,受伤的士兵或婴儿也不例外),以找到一个产卵的地方。螺旋蛆偏爱伤口,不过也会利用宿主的眼睛、鼻孔或肛门建起“保育室”。接着,200多个蝇卵孵化,幼虫开始钻入寄主的肉体内。一旦他们进入了舒适的血肉中,幼蝇会继续吸食和生长。它们长得越大,吃的东西越多。最后导致了被寄生生物大面积的溃疡和出血,而这又会引来更多的螺旋蛆蝇,会产下更多的卵,进行更多的吸食和入侵。这是个残忍而又快速猛烈的攻击。据说螺旋蛆幼虫能够在5到7天内从里到外吞噬掉一头羊或一只狗。

 

转载标题:如果用基因编辑技术让蚊子“消失”在地球上,但是我们该这样吗?

 

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