构建抗疟疾与登革热的改良蚊子：鉴定冈比亚按蚊与埃及伊蚊中赋予抗性的基因

我是 George Dimopoulos。我是约翰斯·霍普金斯大学公共卫生学院分子微生物学与免疫学系疟疾研究所的助理教授。我的研究团队致力于研究传播疟疾的冈比亚按蚊，我们专注于该蚊子的分子生物学，特别是其先天免疫系统在杀灭疟原虫中的作用。

我们希望了解该免疫系统的作用机制，以及哪些基因和分子在杀灭寄生虫过程中发挥重要作用。我们相信，通过深入理解该系统的生物学特性，未来将能够利用这些知识开发疟疾防控策略。疟疾是全球最严重的疾病之一。

疟疾一直伴随着人类，事实上，我们至今仍未能消除它，这实在是一种遗憾。每年疟疾感染约4亿人，导致约200万人死亡，其中大多数病例发生在撒哈拉以南非洲地区，但在南美洲和亚洲的其他发展中国家也存在疟疾。疟疾是由一种属于疟原虫属（*Plasmodium*）的原生动物寄生虫引起的，共有四种疟原虫可导致人类疟疾。

其中最重要的是恶性疟原虫。恶性疟原虫主要由按蚊属（Anopheles）的蚊子传播，而在撒哈拉以南非洲地区，传播疟疾最重要的媒介蚊子属于冈比亚按蚊种团（Anopheles gambiae species complex），其主要分布于非洲的撒哈拉以南地区。登革热病毒是一种黄病毒，主要通过伊蚊（Aedes aegypti）传播。

其地理分布与疟疾非常相似。我们在美洲、东南亚和非洲发现该病毒。登革病毒可引起出血热。

全球约有25亿人面临登革病毒的感染风险，该病毒每年导致数百万人出现登革出血热。在过去10年中，登革出血热已成为最严重的虫媒传播疾病之一。疟原虫在传播病毒的蚊子媒介以及人类宿主体内均具有复杂的生活周期。

我的研究团队正在研究疟疾在蚊子中的传播生物学。当蚊子摄取受感染的血液餐时，它同时也会摄入恶性疟原虫。该寄生虫的配子体将在蚊子中肠内发生受精，并在摄取血液后约18至35小时形成卵囊（oocyst）。

这些疟原虫子孢子将侵入蚊子的肠道上皮。在此阶段，大多数疟原虫子孢子会被蚊子的免疫系统杀死，这也是我们研究的重点。这是一张共聚焦显微镜图像，显示了疟原虫子孢子；成功穿过中肠的疟原虫子孢子将在基底侧形成卵囊，在此卵囊内，将发育出成千上万个子孢子阶段的寄生虫。大约在蚊子吸血后15天左右，这些子孢子阶段的寄生虫将迁移到唾液腺；当子孢子从唾液腺释放后，便可传播给新的宿主。在此阶段，当子孢子在蚊子的血淋巴中释放时，蚊子的免疫系统也参与了对子孢子的杀灭过程。

蚊子的基因组于2002年完成测序，这使我们能够开发出新型的分子生物学和基因组学工具，用于研究在不同感染条件下约14,000个蚊子基因的表达情况，这些研究通常在所谓的微阵列（microarrays）上进行。我们几年前开发的这款微阵列包含了当时已知的所有蚊子基因以及疟原虫寄生虫基因的完整转录组。因此，我们可以在感染过程中同时检测蚊子和寄生虫中基因的活性。

一旦我们确定了蚊子感染疟原虫后被激活的基因，就需要通过一种称为RNA干扰基因沉默的方法来检测这些基因是否参与了对寄生虫的杀灭作用。我们基本上会向蚊子体内注射针对目标基因的RNA，这种双链RNA会降解蚊子中相应基因的mRNA，从而阻止这些基因产生蛋白质。随后，我们将用寄生虫感染这些蚊子。

现在，如果我们已经使蚊子体内某个特定基因沉默或失活，而在该基因沉默后，寄生虫在经处理的蚊子体内建立的感染程度高于未处理的蚊子，这表明该基因可能在某种程度上参与了对疟疾寄生虫的杀灭作用。这实际上正是我们目前用于检测蚊子基因是否参与杀灭寄生虫的主要方法。

大多数疟原虫在蚊子体内被杀死，我们有充分证据表明，蚊子的先天免疫系统主要负责这一杀灭过程。我们实验室以及合作实验室已鉴定出多种参与该过程的基因。此外，还存在经过遗传筛选的蚊子品系，它们通过先天免疫防御机制在中肠内杀死所有寄生虫，因而不会传播疟疾。

蚊子似乎具有多种不同的组分和机制来靶向寄生虫，而当前最大的挑战在于理解这些功能的作用方式，以及我们如何能够操控这些机制以培育出具有抗性的蚊子。埃及伊蚊（Aedes aegypti）控制登革病毒感染所采用的机制，与冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）控制疟原虫感染所采用的机制不同。埃及伊蚊与所有真核生物一样，具有一种依赖RNA的防御机制，称为RNA干扰（RNA interference）。

它基本上是一种能够靶向降解病毒RNA的防御机制，从而保护自身免受病毒感染。我们正致力于理解这一防御机制，探索如何操控它以培育出对病毒具有抗性的蚊子。在过去10年中，分子生物学取得了显著进展，主要是方法学上的突破，极大地加速了我们的研究进程。

其中一项重大进展是测序技术的发展，使得整个基因组的高通量测序成为可能。得益于这些技术，我们现已完成了冈比亚按蚊和埃及伊蚊的基因组测序。这使我们能够比以往更轻松地鉴定出参与控制感染的相关基因。

功能基因组学领域的另一项重要进展是利用微阵列进行高通量基因表达分析。微阵列是载有数千个DNA片段的小型玻璃片，我们可以利用这些所谓的DNA芯片来监测大量基因的表达情况。该领域的另一项重要进展是RNA干扰基因沉默技术，该方法可使我们靶向特定基因并在蚊子中使其失活，从而采用所谓的反向遗传学方法研究基因功能，以及我们感兴趣的基因在杀灭寄生虫过程中的重要作用。

我们及我们的合作者开展的大多数研究中所使用的蚊子，均来自已在实验室条件下维持长达30年的蚊子种群。这些蚊子显然已与自然界中的蚊子产生了显著差异。自然界中的蚊子持续受到各种微生物及其他环境因素的选择压力，而这些因素在野外变化极大，与实验室中相对稳定的条件截然不同。

因此，有人可能会认为，如果我们的研究直接在野外蚊子身上进行，可能会获得更有价值的信息。然而，遗憾的是，这并不容易实现。正如所说，我们在野外缺乏必要的基础设施，而且从野外采集蚊子并建立蚊子种群也极为复杂。

因此，目前我们拥有的最佳生物学模型是实验室模型，但最终我们当然需要进入实地，验证并确认从实验室蚊虫研究中获得的主要发现。我们知道，蚊虫的防御系统参与了杀灭这些昆虫所传播的人类病原体的过程。现在，如果我们能够理解这种杀灭作用的发生机制，明确其中涉及的基因和分子机制，就有可能对这些机制进行人为操控，并利用这种操控手段培育出无法传播病原体的转基因蚊虫。

一旦我们开发出这类基因改造蚊子，就可以开始考虑如何将其实际引入野外环境，并使其成为相对于易感蚊子的主导物种。目前广泛讨论的一种策略是通过所谓的基因驱动机制，将抗性基因在自然种群中传播，这些基因可使蚊子对病原体产生抗性。当前大量研究正集中于此类基因驱动机制的开发。

当然，在将任何类型的转基因生物释放到自然界时，都必须考虑诸多伦理问题。需要牢记的是，基因修饰在自然界中其实一直在自然发生。上述三种突变的情况下，几乎没有理由认为我们会最终得到一种传播病原体能力更强或具有其他不良特性的蚊子。

最糟糕的情况可能是病原体在某个时点对这种转基因蚊子产生抗性。当然，在考虑将基因改造蚊子释放到野外之前，我们必须进行大量的实地测试和实验室测试。我们还需要对公众进行相关受控策略的教育，并确保每个人都感到安心并支持此类策略。要实现基于阻断蚊媒中病原体的疾病控制策略，我们仍面临诸多障碍。

这些障碍中有一些与技术问题和需要解决的实验问题有关。例如，其中一个障碍就是基因驱动机制的开发，即能够有效促使这些抗性基因在种群中传播的机制。在过去10到15年中，病媒生物学生物学领域经历了突飞猛进的发展，这主要是因为人们认识到，深入了解昆虫与病原体相互作用的生物学特性实际上有助于我们制定防控策略。

这一认识推动了对该领域研究资金的增加。至关重要的是，这种资金支持和承诺必须持续下去，以便我们能够保持已取得的势头，并通过深入理解媒介生物与病原体相互作用的生物学机制，以及如何利用这些生物学知识来制定疾病防控策略，从而完成我们的使命。