Комары со встроенным «генетическим щитом» остановили малярию — заражение упало на 93%

Преодоление устойчивости к инсектицидам: как одна генная модификация у комаров самораспространяется по поколениям, практически сводя передачу малярии к нулю без ущерба для выживаемости.

В недавно опубликованном исследовании в журнале Nature группа учёных изучила, делает ли аллель глутамина 224 (Q224) в белке, связанном с фибриногеном 1 (FREP1), комаров Anopheles stephensi устойчивыми к заражению Plasmodium, оценила затраты на выживаемость, связанные с этим аллелем, и протестировала систему аллельного генного драйва для распространения этой защитной мутации в популяциях.

Предпосылки

Около 600 000 человек умерли от малярии в 2023 году, преимущественно дети в странах Африки южнее Сахары и Южной Азии. Традиционные методы борьбы — москитные сетки, обработка инсектицидами, противомалярийные препараты — теряют эффективность из-за устойчивости у комаров и паразитов. Технологии генного драйва, распространяющие полезные аллели в популяциях комаров, представляют собой перспективное и устойчивое решение.

Белок FREP1 помогает паразитам пересекать среднюю кишку комара, но природный вариант Q224 может препятствовать заражению без ущерба для биологии комара. Целью было протестировать возможность безопасного распространения такого эндогенного аллеля для снижения передачи малярии при сохранении жизнеспособности насекомых.

Об исследовании

С помощью CRISPR/Cas9 были созданы два штамма Anopheles stephensi, отличающиеся только 224-й аминокислотой в белке FREP1: дикий тип с лейцином (L224) и потенциально защитный — с глутамином (Q224). Направляющая РНК нацеливалась на интронный участок в 126 п.н. выше кодона, что позволяло провести гомологичную рекомбинацию с встраиванием флуоресцентной метки (GFP или RFP).

Фитнес оценивали по длине крыла, плодовитости, вылупляемости яиц, окукливанию, появлению взрослых особей и продолжительности жизни (анализ выживаемости по Каплану–Майеру).

Компетентность переносчика определяли с помощью стандартного кормления через мембрану паразитом Plasmodium falciparum (человеческий) и мыши Plasmodium berghei (грызун), с подсчётом ооцист и спорозоитов в слюнных железах.

Система аллельного драйва включала кассету с gRNA против L224 и Cas9 под контролем промотора vasa. В многоцикловых экспериментах (10 поколений) отслеживали частоту аллелей по флуоресцентным меткам. Генотипирование проводили с помощью ПЦР, секвенирования по Сэнгеру и NGS. Байесовское моделирование оценивало конверсию аллелей, стоимость по фитнесу и динамику при свободном скрещивании в лабораторных условиях.

Результаты

Аллель FREP1Q224 не вызывал значимых потерь по выживаемости: длина крыла, плодовитость, вылупление, окукливание и выход взрослых совпадали с контролем FREP1L224. Небольшие различия в размерах и продолжительности жизни самцов не повлияли на конкурентоспособность. Девственные самки FREP1Q224 жили так же долго, как и контрольные, а самки после кровососания показали лишь небольшое снижение продолжительности жизни.

Эксперименты с заражением выявили выраженную защиту у гомозигот.

• При низкой концентрации гаметоцитов P. falciparum (0,08%):
  • Уровень заражения упал с 80% до ~30% у FREP1Q224;
  • Среднее число ооцист: с 3 до 0;
  • Спорозоиты в слюнных железах: с >4000 до 0.
• При более высокой гаметоцитемии (0,15%):
  • Среднее число ооцист: с ~32 до <10;
  • Спорозоиты также резко сократились.
• Для P. berghei:
  • Среднее число ооцист: с 43 до 25;
  • Спорозоиты: с ~19 000 до 11 000.
• Гетерозиготы (FREP1L224/Q224) не были защищены.

Эффективность генного драйва

• В парных скрещиваниях Cas9 + gRNA L224 конвертировали от 50 до 86% аллелей FREP1L224 в FREP1Q224;
• При материнском Cas9 частота была выше;
• Во 2-м поколении частота защитного аллеля достигала 93%;
• Частота ошибочного репарационного пути (NHEJ) была низкой (0–12%) и, как правило, вызывала ущерб.
• В клеточных популяциях соотношение донор:реципиент = 1:3 — частота FREP1Q224 выросла с 25% до >90% за 10 поколений;
• Частота NHEJ-аллелей упала с 5,4% до <0,5%.

Байесовское моделирование поддержало гипотезу о высокой конверсии, низкой частоте устойчивых мутаций и эффекте летального стерильного мозаицизма, когда WT-гомозиготы с материнским Cas9-генотипом страдали от соматических мутаций и сниженной выживаемости.

Поздние поколения показали почти полное подавление ооцист P. falciparum (медиана от 0 до 5,5), что подтверждает, что популяция стала в значительной степени рефрактерной к передаче паразита.

Защитный аллель не имел скрытых преимуществ или побочных эффектов, его распространение происходило за счёт драйва.

Выводы

Исследование показало, что замена одной аминокислоты в белке FREP1 и смещение наследования с помощью генного драйва позволяет сделать Anopheles stephensi практически невосприимчивыми к малярии — как человеческой, так и грызуновой — без ущерба для жизнеспособности комаров.

Этот подход дополняет существующие меры (сетки, инсектициды, препараты), эффективность которых снижается из-за резистентности. Такая система также может быть использована для возвращения чувствительности к инсектицидам или внедрения других защитных аллелей.

Прежде чем внедрять технологию, необходимы строгие экологические, этические и управленческие рамки, а также системы контроля распространения.