加州大學(xué)圣地亞哥分校和加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家們開發(fā)了一種新的方法來控制攜帶疾病或破壞作物的昆蟲，這種方法使用基于crispr - cas9的基因組編輯來確定昆蟲的性別和生育能力。這項(xiàng)最初以果蠅為試驗(yàn)對(duì)象開發(fā)的新技術(shù)，代表了無菌昆蟲技術(shù)(靜坐)的一種新嘗試。自上世紀(jì)30年代以來，這種技術(shù)一直被用于大規(guī)模生產(chǎn)和釋放無菌雄性果蠅，作為消滅昆蟲種群的一種策略。然而，這種基于crispr的技術(shù)，被稱為精確引導(dǎo)坐位(precision-guided SIT，簡稱pgSIT)，可以產(chǎn)生卵子，而不是依靠dna損傷劑對(duì)雄性進(jìn)行絕育，或者采用類似坐位的基因操作方法，從而產(chǎn)生耐藥性。這種技術(shù)的后代在成年后100%都是不育的雄性。“這是一個(gè)前所未有的壯舉，”他們在《自然通訊》雜志上發(fā)表的論文中寫道。如果應(yīng)用于害蟲種類，該技術(shù)可以成為控制全世界昆蟲種群的一種有效、經(jīng)濟(jì)有效的方法。

“CRISPR技術(shù)已經(jīng)使我們的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新一個(gè)新的、有效的物種特異性,自限性,安全,和可伸縮的人口基因控制技術(shù)以驚人的潛力開發(fā)和利用大量的害蟲和疾病的向量,”奧馬爾·阿克巴里說,博士,助理教授在加州大學(xué)圣地亞哥分校的生物科學(xué)分工和相應(yīng)的作者。“未來，我們堅(jiān)信這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)被安全的應(yīng)用于實(shí)地，在當(dāng)?shù)貕褐粕踔料麥缒繕?biāo)物種，從而徹底改變昆蟲的管理和控制方式。”研究人員在一篇題為《用精確引導(dǎo)的不育雄性果蠅來改變昆蟲種群控制》的論文中報(bào)告了他們的研究進(jìn)展。

自20世紀(jì)30年代以來，人們一直在使用將不育雄性昆蟲釋放到野外以控制和消滅害蟲種群的方法。20世紀(jì)50年代，美國采用了一種基于受輻照雄蠅的策略來消滅新世界螺旋蠅，基于輻射的方法至今仍在使用。

研究人員指出，基于crispr的基因組編輯已經(jīng)“徹底改變”了幾乎所有被研究的生物體進(jìn)行精確基因組編輯的能力。最近的發(fā)展包括以家庭為基礎(chǔ)的基因驅(qū)動(dòng)，它將遺傳變化傳播給后代，并產(chǎn)生了一個(gè)被稱為活躍遺傳學(xué)的領(lǐng)域。這組作者指出，盡管這類技術(shù)可能被用于對(duì)抗攜帶疾病的昆蟲媒介或控制入侵物種和農(nóng)作物害蟲，但“正在進(jìn)行的討論旨在確定治理機(jī)制，以確保該技術(shù)是合乎道德、安全、開發(fā)和實(shí)施的”。目前的基因驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)也顯示出了一些缺陷，包括耐藥性的快速進(jìn)化，他們繼續(xù)說，“因此，未來的研究有必要開發(fā)出能夠限制和克服進(jìn)化耐藥性的驅(qū)動(dòng)。”

基于這些考慮，Akbari和他的同事著手開發(fā)一種“新穎、安全、可控、無創(chuàng)、基于crispr的基因技術(shù)，可以跨物種移植，并在短期內(nèi)在全球范圍內(nèi)實(shí)施，以對(duì)抗野生種群。”

由此產(chǎn)生的pgSIT策略使用CRISPR技術(shù)破壞了對(duì)雌性生存能力和雄性生育能力至關(guān)重要的關(guān)鍵基因，從而產(chǎn)生的卵子只會(huì)產(chǎn)生不育的雄性，然后可以將其引入昆蟲種群。

作者評(píng)論說，這項(xiàng)技術(shù)最初是在果蠅身上開發(fā)的，它涉及一種育種策略，需要兩個(gè)純合子菌株，一個(gè)表達(dá)Cas9，另一個(gè)表達(dá)雙導(dǎo)rna (dgrna)。兩種菌株之間的一次交配同時(shí)淘汰了一種對(duì)女性生存能力有要求的基因和一種對(duì)男性生育能力有要求的基因，因此只有不育的男性才能在下一代中存活。該研究小組說:“這些菌株之間的一次機(jī)械交配會(huì)在整個(gè)發(fā)育過程中同步導(dǎo)致rna引導(dǎo)的兩個(gè)目標(biāo)基因的顯性雙等位基因敲除，通過在一代人的時(shí)間內(nèi)將隱性表型轉(zhuǎn)化為顯性表型，導(dǎo)致所有后代所需表型的非孟德爾式完全外顯。”值得注意的是，pgSIT依賴于crispr介導(dǎo)的DNA切割和基于nhej的修復(fù)，而不是同源直接修復(fù)(HDR)。“因此，能夠抑制crispr介導(dǎo)的基因驅(qū)動(dòng)的抗性等位基因的產(chǎn)生并不會(huì)限制pgSIT的有效性……”他們說。

在他們發(fā)表的《自然通訊》的論文中，研究人員報(bào)告了果蠅體內(nèi)pgSIT的發(fā)展，并描述了初步結(jié)果，證明該技術(shù)是100%有效的，能產(chǎn)生健康、不育的雄性果蠅，并能成功地競爭配偶。他們說:“重要的是，這項(xiàng)技術(shù)不依賴染色體易位、化學(xué)消毒劑、輻照、抗生素或細(xì)菌感染，這些會(huì)嚴(yán)重?fù)p害已釋放不育雄性的健康和交配競爭力。”這些靶向基因在昆蟲的廣泛分布中也很常見，因此pgSIT技術(shù)可以應(yīng)用于許多不同類型的昆蟲。重要的是，數(shù)學(xué)模型預(yù)測pgSIT能夠比目前的自限技術(shù)更有效地抑制昆蟲種群。“總的來說，pgSIT有可能改變我們控制農(nóng)業(yè)害蟲和病媒昆蟲的能力，”該小組指出。“一個(gè)高效的pgSIT雞蛋生產(chǎn)設(shè)施可以將pgSIT雞蛋分發(fā)到世界各地的許多偏遠(yuǎn)地區(qū)，在那里它們可以被簡單地孵化、飼養(yǎng)和釋放，從而降低建設(shè)多個(gè)生產(chǎn)設(shè)施的成本。”

pgSIT方法也不需要人工對(duì)幼蟲進(jìn)行性別分類，而且在卵孵化后立即開始種群抑制，因?yàn)樗械挠紫x都是不育的雄性，它們開始消耗原本野生、可育幼蟲可以獲得的資源。

第一作者Nikolay Kandul博士是加州大學(xué)圣地亞哥分校生物科學(xué)部的一名助理項(xiàng)目科學(xué)家。“這種新奇的轉(zhuǎn)變使得它在不同物種之間非常方便，可以抑制蚊子或農(nóng)業(yè)害蟲的數(shù)量，比如那些以珍貴葡萄為食的害蟲。”

在證明了在果蠅中產(chǎn)生不育雄性果蠅的“簡單和一致性”之后，研究人員希望在傳播登革熱、寨卡病毒、黃熱病和其他疾病的埃及伊蚊中開發(fā)pgSIT技術(shù)。這些結(jié)果表明，pgSIT有更大的潛力消除局部Ae。他們總結(jié)說:“埃及伊蚊的數(shù)量超過了目前可用的抑制技術(shù)。”