'基因工程創造的自我毀滅蚊子，產生意想不到的效果'

英國帝國理工學院的兩位遺傳學家Austin Burt和Andrea Crisanti花了八年時間試圖劫持蚊子的基因組。他們想繞過自然選擇過程並插入一種基因，這種基因將比通常遺傳過程中產生的突變更快地在人群中迅速傳播。他們的想法是，通過傳播一種基因來消滅蚊子，使其無法傳播瘧疾，從而預防瘧疾。

經歷了一次又一次的失敗，最終在2011年，他們得到了一直希望得到的DNA結果：他們插入到蚊子基因組的一個基因在蚊子種群中進行了傳播，85%的蚊子後代都攜帶了這個基因。

這是第一個工程“基因驅動”: 其實是一種基因改造，改造後的在種群中傳播的遺傳率高於正常水平。基因驅動技術已迅速成為一些實驗室的常規技術; 這項技術依靠CRISPR基因編輯工具和RNA片段來改變或沉默一個特定的基因，或者插入一個新的基因。在下一代中，整個驅動器將自身複製到它的伴侶染色體上，這樣基因組就不再擁有所選基因的原始版本，而是擁有兩個基因驅動器拷貝。通過這種方式，這種變化將傳遞給多達100%的後代，而不是大約50%的後代。

自2014年以來，科學家們已經在蚊子、果蠅和真菌身上設計了基於CRISPR的基因驅動系統，目前正在老鼠身上進行開發。但這只是故事的開始。基因驅動是否可行已經顯得不是那麼重要了，目前有許多其他的未知因素更需要引起我們的注意：它們將如何發揮作用，如何進行測試，以及誰應該監管這項技術。

基因驅動被認為是一種減少或消除蟲媒疾病、控制入侵物種甚至逆轉害蟲抗藥性的方法。目前還沒有將工程基因驅動釋放到野外，但這項技術原則上最快在三年後就可以完成。

坦桑尼亞達累斯薩拉姆Ifakara健康研究所的科學主任Fredros Okumu說：“ 基因驅動不同於以往任何測試過的生態修復。基因驅動會自己傳播，我們必須讓人們做好準備，並與所有相關國家公開分享信息。”

麻省理工學院(MIT)媒體實驗室的生物工程師Kevin Esvelt說：“技術挑戰不像社會和外交挑戰那麼令人畏懼。這樣的技術對人們的生活有著立竿見影的影響。”

鑑於對基因驅動的潛在擔憂，《Nature》雜誌探討了這項技術及其應用的五個關鍵問題。

1. 基因驅動會起作用嗎?

建立一個操控或消滅一個種群的基因驅動就像與自然選擇作鬥爭，而這場鬥爭可能並不容易取勝。

當研究人員開始在實驗室進行常規的基因驅動時，動物就產生了對基因驅動的抵抗力-積累的突變阻止了基因驅動的傳播。例如，在對插入果蠅體內的兩種驅動的測試中，具有抗藥性的基因變異經常形成。最常見的情況是，基因突變會改變CRISPR設定的識別序列，從而阻止基因被編輯。

但是如果研究人員選對了驅動目標（比如有些高度保守的基因，微小的改變便會導致機體死亡），則會達到很好的效果。2018年9月，Crisanti和他的團隊通過破壞一種叫做“doublesex”的生育基因，以100%的效率消滅了實驗籠中的岡比亞按蚊種群。破壞了這種基因後，雌蚊即不會咬人，也不會產卵; 並且經歷8-12代後，籠子裡的種群依然完全不產卵。由於“doublesex”基因對蚊子的生殖至關重要，因此它對突變具有抵抗力。

Crisanti說，該團隊已經進行了9次針對“doublesex”的超過100萬個驅動器插入的實驗，並沒有發現任何阻力。現在，研究小組正在進行調整，就像用藥物聯合治療疾病一樣，切斷“doublesex”基因上的不是一個而是兩個位點。Crisanti說:“我想確定這項技術準備投入使用之前，產生抗藥性的可能性是遙不可及的。”

在哺乳動物中，科學家面臨的挑戰要比基因抵抗力多得多。去年，加州大學聖地亞哥分校(UCSD)的Kim Cooper和她的同事們在哺乳動物身上啟動了一種基因驅動-這種驅動會打斷老鼠的Tyr基因，使動物的皮毛變白。Kim Cooper說，這種驅動在基因組中自我複製的效率只有72%，在雄性生殖系中效果並不好。她懷疑這是因為細胞分裂發生在卵子和精子形成的不同時期，這似乎影響了驅動從一條染色體成功複製到另一條染色體的能力。

在那個實驗中，這種驅動並沒有自我繁殖，Kim Cooper也沒有跟蹤多代小鼠的這種特性，所以她強調，從技術上講，這並不能被認為是一種基因驅動。“要證明這種方法是可行的，還有很多工作要做”，她補充說。

2. 基因驅動還有什麼好處?

儘管在該領域的應用中蚊子占主導地位，但基因驅動的用途還包括保護脆弱的生態系統和加快實驗室工作。

有些生物體的基因組很難操控，但這樣做有助於科研人員對他們的研究。以白色念珠菌為例，它是一種通常耐藥的人類真菌病原體。作為Broad研究所和麻省理工學院（MIT）的博士後，Rebecca Shapiro開發了一種系統，能以接近100%的效率將突變注入真菌。她現在可以培育這種真菌來沉默兩個獨立的基因，並將這些突變遺傳給後代。

入侵齧齒動物基因生物控制(GBIRd)計劃希望對基因驅動小鼠做更多的研究，而不是僅僅侷限在實驗室裡。GBIRd希望利用這項技術消滅島嶼上的入侵齧齒動物，因為這些齧齒動物會對當地的野生動物造成嚴重破壞。GBIRd的成員，德克薩斯州A&M大學的David Threadgill和澳大利亞阿德萊德大學的Paul Thomas正在開發老鼠基因驅動技術，儘管可能還需要幾年的時間去完成。

與此同時，一些蚊子研究人員希望嘗試一些更巧妙的方法來預防疾病。在5月的一份預印本中，加州大學聖迭戈分校的Omar Akbari和他的同事對埃及伊蚊進行了基因改造，使其能夠表達一種抗體，這種抗體可以保護伊蚊抵禦所有的四種主要登革熱毒株。他們現在正把這種抗體基因附在一個驅動器上，看它是否會傳播。Akbari還在構建一種通用的基因驅動，當任何病毒(不僅僅是登革熱)感染埃及伊蚊時，這種基因驅動都會激活一種毒素。“我們想在蚊子身上建立一個特洛伊木馬，”Akbari說，“當一隻蚊子感染了病毒（無論是登革熱、寨卡病毒、基孔肯雅熱、黃熱病，還是其他病毒）它就會激活我們的系統，殺死蚊子。”

3. 基因驅動是可控的嗎？

2014年，Kevin Esvelt和遺傳學家George Church在哈佛醫學院(Harvard Medical School)建立了他們的第一個基因驅動器，他們同時建立了一個反向驅動器，以便根據指令覆蓋最初的驅動器。

其他領域也紛紛效仿，開發帶有內置控制、外部覆蓋或兩者兼有的基因驅動。美國國防部高級研究計劃局(DARPA)為這項工作提供了大部分資金。2017年，DARPA的“安全基因項目”宣佈，它將在7個美國研究團隊中投入6500萬美元，研究如何控制、對抗和逆轉基因驅動。

4. 如何測試基因驅動?

DARPA的安全基因合約明確禁止了野外測試，研究人員也認為這項技術還不夠成熟。為了替代野外測試，研究小組正在擴大實驗籠的規模，並建立生態模型。

在意大利中部的特爾尼鎮，Crisanti和Nolan利用不斷變化的環境豐富了蚊籠。諾蘭目前在英國利物浦熱帶醫學院(Liverpool School of Tropical Medicine)經營著一個實驗室。他和Crisanti想要複製自然交配行為（比如雄性聚集成一群吸引雌性）看看它如何影響基因驅動的傳播。

Crisanti說，到目前為止，驅動器在高效地傳遞著，暫時沒有觀察到抵抗的跡象。他表示，如果大型籠子實驗中沒有出現任何問題，那麼研究小組將把這項技術交給獨立的小組進行測試，以期在大約三年內獲得監管部門的批准。

目標抗瘧疾小組還在建立預期釋放地點的生態模型，以計算實地動態。最近的研究模擬了Burkina Faso和周邊國家4萬多個定居點的蚊子種群。綜合考慮了河流、湖泊和降雨，以及蚊子活動的現場數據。研究結果表明，為了減少蚊子的總數量，需要在數年內在整個村莊重複引進而不是單次釋放轉基因蚊子。

原則上，只要釋放一次，它就會擴散到整個大陸。但事實上，這個擴散卻發生得非常緩慢。”牛津大學的人口生物學家Charles Godfray說。

另一個擔憂是基因驅動有可能改變整個種群，從而改變整個生態系統。分子生物學家、生物倫理學家Natalie Kofler說，從理論上講，它們還可能通過導致瘧原蟲進化成更具毒性或被其他宿主攜帶而對人類健康產生負面影響。科弗勒說:“這項技術具有巨大的潛力，可以改變我們無法預測的事情的進程。”

5. 誰來決定什麼時候使用基因驅動?

對於藥物試驗，公司可以提前一兩年開始準備現場測試。基因驅動將需要更多的時間，Okumu說。去年，他參加了由美國國立衛生研究院(Foundation for the National Institutes of Health)組織的一個由15人組成的科學工作組，該工作組就在撒哈拉以南非洲地區使用基因驅動蚊子提出了一系列建議。

該報告強調，政府、社區和當地科學家將需要時間來學習和理解科學知識，並對技術進行監管。Okumu說:“我非常確信，最終做出這些決定的最佳人選是國家本身。

2017年，Kofler召集了一群科學家和倫理學家，試圖解決圍繞基因驅動的社會問題。主要問題核心是公正。在討論到將基因工程生物釋放到非洲環境中的話題時，歷史上被邊緣化的群體有權參與決策過程。

Okumu希望非洲科學家在當地開發和測試基因驅動技術，這需要資助者的尊重和支持。人們害怕未知，而現在未知正從西方的角度呈現出來。

2018年8月，Burkina Faso國家生物安全機構授權抗瘧疾小組釋放一株轉基因不育雄性蚊子，這是非洲大陸首隻轉基因不育雄性蚊子。上週，研究小組釋放了大約6400只轉基因蚊子，但這些蚊子沒有攜帶基因驅動。科學家們希望這次釋放能夠改善人們對這項研究的看法，併為未來的釋放提供數據。

儘管基因驅動小鼠還遠未準備好，但GBIRd已經在與風險評估人員、倫理學家和生態學家合作，為初步的實地試驗確定一個島嶼。Saah說:“我們想確保我們做對了。無論技術發展得有多快，我們現在都可以推動社會科學和倫理。”

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02087-5