Комарите с вграден „генетичен щит“ спират маларията - процентът на заразяване спада с 93%

Преодоляване на резистентността към инсектициди: Как една единствена генна модификация в комарите се саморазпространява през поколенията, като на практика елиминира предаването на малария, без да компрометира оцеляването.

В наскоро публикувано проучване в Nature, екип от учени изследва дали алелът глутамин 224 (Q224) в протеин 1, свързан с фибриноген (FREP1), прави комарите Anopheles stephensi устойчиви на инфекция с Plasmodium, оценява разходите за оцеляване, свързани с този алел, и тества алелна генна система за разпространение на тази защитна мутация сред популациите.

Предварителни изисквания

Около 600 000 души са починали от малария през 2023 г., предимно деца в Субсахарска Африка и Южна Азия. Традиционните методи за контрол – мрежи против комари, инсектицидни обработки, антималарийни лекарства – губят своята ефективност поради резистентност у комарите и паразитите. Технологиите за генно задвижване, които разпространяват полезни алели чрез популациите на комарите, предлагат обещаващо и устойчиво решение.

Протеинът FREP1 помага на паразитите да преминат през средното черво на комара, но естественият вариант Q224 може да предотврати инфекцията, без да компрометира биологията на комара. Целта беше да се тества дали такъв ендогенен алел може да бъде безопасно разпространен, за да се намали предаването на малария, като същевременно се запази жизнеспособността на комара.

Относно проучването

С помощта на CRISPR/Cas9 бяха създадени два щама на Anopheles stephensi, които се различаваха само по 224-тата аминокиселина в протеина FREP1: див тип с левцин (L224) и потенциално защитен щам с глутамин (Q224). Водещата РНК се насочи към интронна област 126 bp нагоре по течението от кодона, което позволи хомоложна рекомбинация с вмъкване на флуоресцентен маркер (GFP или RFP).

Фитнесът е оценен по дължина на крилата, плодовитост, излюпване на яйцата, какавидиране, поява на възрастни и продължителност на живота (анализ на оцеляването по Каплан-Майер).

Компетентността на вектора беше определена чрез стандартно мембранно хранене на паразити Plasmodium falciparum (човешки) и Plasmodium berghei (гризачи), с преброяване на ооцисти и спорозоити в слюнчените жлези.

Системата за управление на алелите включваше касета с gRNA срещу L224 и Cas9 под контрола на vasa промотора. Честотите на алелите бяха наблюдавани с помощта на флуоресцентни маркери в многоциклични експерименти (10 поколения). Генотипизирането беше извършено с помощта на PCR, секвениране на Сангер и NGS. Байесовото моделиране оцени алелната конверсия, разходите за годност и динамиката по време на свободно чифтосване в лабораторията.

Резултати

Алелът FREP1Q224 не е причинил значителни загуби в оцеляването: дължината на крилата, плодовитостта, излюпването, какавидирането и появата на възрастни индивиди са идентични с контролната група FREP1L224. Малките разлики в размера и продължителността на живота на мъжките не са повлияли на конкурентоспособността. Неродените женски FREP1Q224 са живели толкова дълго, колкото контролната група, а женските след хранене с кръв показват само леко намаляване на продължителността на живота.

Експериментите с предизвикателни фактори разкриха изразена защита при хомозиготи.

• При ниски концентрации на гаметоцити от P. falciparum (0,08%):
  • Процентът на заразяване спадна от 80% до ~30% в FREP1Q224;
  • Среден брой ооцисти: от 3 до 0;
  • Спорозоити в слюнчените жлези: от >4000 до 0.
• При по-висока гаметоцитемия (0,15%):
  • Среден брой ооцисти: от ~32 до
  • Спорозоитите също намаляха драстично.
• За P. berghei:
  • Среден брой ооцисти: от 43 до 25;
  • Спорозоити: от ~19 000 до 11 000.
• Хетерозиготите (FREP1L224/Q224) не бяха защитени.

Ефективност на генното задвижване

• При сдвоени кръстоски, Cas9 + gRNA L224 превръща 50 до 86% от алелите FREP1L224 в FREP1Q224;
• При майчиния Cas9 честотата е била по-висока;
• Във второто поколение честотата на защитния алел достига 93%;
• Честотата на грешките в пътя на възстановяване на NHEJ е ниска (0–12%) и обикновено причинява увреждане.
• В клетъчни популации със съотношение донор:реципиент 1:3, честотата на FREP1Q224 се е увеличила от 25% до >90% за 10 поколения;
• Честотата на алелите на NHEJ спадна от 5,4% до

Байесовото моделиране подкрепи хипотезата за висока конверсия, ниска честота на стабилни мутации и летален стерилен мозаицизъм, където WT хомозиготите с майчиния Cas9 генотип страдат от соматични мутации и намалена преживяемост.

По-късните поколения показват почти пълно потискане на ооцистите на P. falciparum (медиана от 0 до 5,5), което потвърждава, че популацията е станала до голяма степен резистентна към предаване на паразити.

Защитният алел нямаше скрити ползи или странични ефекти и се разпространяваше чрез инстинкт.

Заключения

Проучването установи, че заместването на една аминокиселина в протеина FREP1 и изместването на неговото наследяване чрез генно задвижване може да направи Anopheles stephensi практически имунизиран срещу малария - както човешка, така и гризача - без да се компрометира жизнеспособността на комарите.

Този подход допълва съществуващите мерки (мрежи, инсектициди, лекарства), чиято ефективност е намалена от резистентност. Такава система може да се използва и за възстановяване на чувствителността към инсектициди или за въвеждане на други защитни алели.

Преди технологията да може да бъде внедрена, са необходими строги екологични, етични и управленски рамки, както и системи за контрол на разпространението ѝ.