Komarci s ugrađenim 'genetskim štitom' zaustavljaju malariju - stope zaraze padaju za 93%

Prevladavanje otpornosti na insekticide: Kako se jedna genska modifikacija kod komaraca samorazmnožava kroz generacije, praktički eliminirajući prijenos malarije bez ugrožavanja preživljavanja.

U nedavno objavljenoj studiji u časopisu Nature, tim znanstvenika ispitao je čini li alel glutamina 224 (Q224) u proteinu 1 povezanom s fibrinogenom (FREP1) komarce Anopheles stephensi otpornima na infekciju plazmodijom, procijenio troškove preživljavanja povezane s ovim alelom i testirao alelni sustav genskog pogona za širenje ove zaštitne mutacije kroz populacije.

Preduvjeti

Oko 600.000 ljudi umrlo je od malarije 2023. godine, uglavnom djece u subsaharskoj Africi i južnoj Aziji. Tradicionalne metode suzbijanja - mreže protiv komaraca, tretmani insekticidima, lijekovi protiv malarije - gube svoju učinkovitost zbog otpornosti komaraca i parazita. Tehnologije genskog pogona koje šire korisne alele kroz populacije komaraca nude obećavajuće i održivo rješenje.

Protein FREP1 pomaže parazitima da prijeđu kroz srednje crijevo komarca, ali prirodna varijanta Q224 može spriječiti infekciju bez ugrožavanja biologije komarca. Cilj je bio testirati može li se takav endogeni alel sigurno distribuirati kako bi se smanjio prijenos malarije, a istovremeno održala održivost komarca.

O studiji

Korištenjem CRISPR/Cas9 stvorena su dva soja Anopheles stephensi koji su se razlikovali samo u 224. aminokiselini u proteinu FREP1: divlji tip s leucinom (L224) i potencijalno zaštitni soj s glutaminom (Q224). Vodička RNA ciljala je intronsku regiju 126 bp uzvodno od kodona, omogućujući homolognu rekombinaciju s umetanjem fluorescentne oznake (GFP ili RFP).

Kondicija je procijenjena duljinom krila, plodnošću, valivošću jaja, stadijem kukuljice, izlijeganjem odraslih jedinki i životnim vijekom (Kaplan-Meierova analiza preživljavanja).

Kompetentnost vektora određena je standardnim membranskim hranjenjem parazita Plasmodium falciparum (čovjek) i Plasmodium berghei (glodavac), s brojanjem oocista i sporozoita u slinovnicama.

Sustav alelnog pogona uključivao je kasetu s gRNA protiv L224 i Cas9 pod kontrolom vasa promotora. Frekvencije alela praćene su pomoću fluorescentnih oznaka u višecikličkim eksperimentima (10 generacija). Genotipizacija je provedena pomoću PCR-a, Sangerovog sekvenciranja i NGS-a. Bayesovo modeliranje procijenilo je konverziju alela, troškove prilagodbe i dinamiku tijekom slobodnog parenja u laboratoriju.

Rezultati

Alel FREP1Q224 nije uzrokovao značajne gubitke u preživljavanju: duljina krila, plodnost, izleganje, pupacija i izlazak odraslih jedinki bili su identični kontrolnoj skupini FREP1L224. Male razlike u veličini i životnom vijeku mužjaka nisu utjecale na konkurentnost. Djevičanske ženke FREP1Q224 živjele su jednako dugo kao i kontrolne skupine, a ženke nakon hranjenja krvlju pokazale su samo blago smanjenje životnog vijeka.

Izazovni eksperimenti otkrili su značajnu zaštitu kod homozigota.

• Pri niskim koncentracijama gametocita P. falciparum (0,08%):
  • Stopa infekcije pala je s 80% na ~30% u FREP1Q224;
  • Prosječan broj oocista: od 3 do 0;
  • Sporozoiti u slinovnicama: od >4000 do 0.
• Pri višoj gametocitemiji (0,15%):
  • Prosječan broj oocista: od ~32 do
  • Sporozoiti su se također dramatično smanjili.
• Za P. berghei:
  • Prosječan broj oocista: od 43 do 25;
  • Sporozoiti: od ~19 000 do 11 000.
• Heterozigoti (FREP1L224/Q224) nisu bili zaštićeni.

Učinkovitost genskog pogona

• U parnim križanjima, Cas9 + gRNA L224 pretvorila je 50 do 86% alela FREP1L224 u FREP1Q224;
• S majčinim Cas9, učestalost je bila veća;
• U 2. generaciji, učestalost zaštitnog alela dosegla je 93%;
• Učestalost pogrešaka u putu popravka NHEJ-a bila je niska (0–12%) i obično je uzrokovala oštećenje.
• U staničnim populacijama s omjerom donora i primatelja od 1:3, učestalost FREP1Q224 povećala se s 25% na >90% tijekom 10 generacija;
• Učestalost NHEJ alela pala je s 5,4% na

Bayesovo modeliranje podržalo je hipotezu o visokoj konverziji, niskoj učestalosti stabilnih mutacija i efektu letalnog sterilnog mozaicizma, gdje su WT homozigoti s majčinim Cas9 genotipom patili od somatskih mutacija i smanjenog preživljavanja.

Kasnije generacije pokazale su gotovo potpunu supresiju oocista P. falciparum (medijan 0 do 5,5), što potvrđuje da je populacija postala uglavnom otporna na prijenos parazita.

Zaštitni alel nije imao skrivenih koristi ili nuspojava, a širio se nagonom.

Zaključci

Studija je otkrila da zamjena jedne aminokiseline u proteinu FREP1 i promjena njegovog nasljeđivanja pomoću genskog pogona može učiniti Anopheles stephensi praktički imunim na malariju - i ljudsku i glodavčevu - bez ugrožavanja održivosti komaraca.

Ovaj pristup nadopunjuje postojeće mjere (mreže, insekticide, lijekove) čija je učinkovitost smanjena zbog otpornosti. Takav sustav može se koristiti i za vraćanje osjetljivosti na insekticide ili uvođenje drugih zaštitnih alela.

Prije nego što se tehnologija može implementirati, potrebni su strogi ekološki, etički i upravljački okviri, kao i sustavi za kontrolu širenja.