Science：下一个技术热点？这种病毒可以劫持并操控精子

　　

一种广泛存在，名为沃尔巴克氏体 ( Wolbachia )的细菌及其携带的病毒可以劫持雄性昆虫的精子，阻止它们与没有相同细菌和病毒组合的雌性昆虫的卵子受精，从而导致雄性昆虫不育。宾夕法尼亚州立大学微生物组研究人员领导的这一项新研究揭示了这种微生物组合是如何操纵精子的，这可能会带来精确的技术，控制将寨卡病毒和登革热等疾病传播给人类的农业害虫和昆虫的数量。

这项研究发表在3月8日的《科学》杂志上。

宾夕法尼亚州立大学One Health Microbiome中心主任、生物学和昆虫学教授Seth Bordenstein说:“沃尔巴克氏体是动物体内分布最广的细菌，在大约50%的昆虫物种(包括一些蚊子和苍蝇)的生殖组织中共生。沃尔巴克氏体的基因组中整合了一种叫做prophage WO的病毒基因。这些基因——cifA和cifB——允许细菌显著地操纵精子，并为了自己的利益迅速在昆虫种群中传播。”

当雄性和雌性昆虫都有沃尔巴克氏体交配时，它们成功地繁殖并传播细菌。但是，当携带沃尔巴克氏体的雄性与没有沃尔巴克氏体的雌性交配时，精子对受精卵来说是致命的，使它们死亡。这个系统巧妙地增加了下一代携带沃尔巴克氏体和病毒的后代的比例，因为携带细菌的雌性比没有携带细菌的雌性成功繁殖的频率更高。

该系统正在世界各地进行的几项试点研究中使用，以控制害虫及其携带的有害病毒性疾病。例如，为了控制没有沃尔巴克氏菌的农业害虫或人类害虫的数量，科学家们释放了携带沃尔巴克氏菌的雄虫，使种群崩溃。

Bordenstein说:“沃尔巴克氏体的一个超能力是它能阻止致病性RNA病毒，如寨卡病毒、登革热病毒和基孔肯雅病毒，因此携带沃尔巴克氏体的蚊子在叮咬人时不会将这些病毒传播给人。因此，在一个没有沃尔巴克氏体的地区释放携带沃尔巴克氏体的雄性和雌性蚊子，会导致不再传播病毒性疾病的蚊子取代种群。世界蚊子项目目前正在11个国家使用沃尔巴克氏体来控制病毒。通过这项研究，我们揭示了这一过程如何运作的潜在机制，这样我们就可以对这项技术进行微调，扩大其在媒介控制措施中的范围。”

沃尔巴克氏体的 prophage WO基因编码干扰精子细胞正常发育的蛋白质。在精子发育过程中，当精子的基因组被重新包装，精子从独木舟形状变成更精细的针状形状时，这些蛋白质会影响一个关键的转变。

论文作者Rupinder Kaur说:“这种形状的变化对精子的成功非常重要，任何干扰都会影响精子在女性生殖道中传播并成功使卵子受精的能力。这种转变在从昆虫到人类的几乎所有物种中都是高度保守的。这个过程中的缺陷也会导致男性不育。”

根据研究人员的说法，在这一转变过程中，精子特别容易受到DNA损伤和修复。在这项研究中，他们发现暴露于沃尔巴克氏体或Cif蛋白的精子在这一阶段的DNA损伤水平升高。DNA损伤，如果不及时修复，可能导致精子基因组包装异常，男性不育和胚胎无法生存。

“这些结果证实了沃尔巴克氏体和Cif蛋白在精子发育的这个阶段的影响，但我们仍然想知道在早期阶段发生了什么来触发这些变化。”“我们进行了一系列测试，探索Cif蛋白的结构和生化功能，发现它们可以切割被称为长链非编码RNA的信使分子，这为干扰精子的下游发育和功能奠定了基础。”Kaur说。

研究人员用携带沃尔巴克氏体的果蝇来测试这种细菌和长链非编码RNA之间的潜在联系。他们发现沃尔巴克氏菌或Cif蛋白单独减少了这些rna的数量。此外，与沃尔巴克氏体相关的这些rna表达减少的突变果蝇具有较高的胚胎不存活水平，因为它增强了精子发育的缺陷过渡过程。因此，Kaur解释说，这种病毒蛋白质通过消耗正常精子功能所需的长链非编码rna来控制精子。

Bordenstein说:“长链非编码rna本身不产生任何蛋白质，但它们对调节精子发育所需的其他基因的功能有深远的影响。通过改变基因组的非编码部分，我们发现Cif蛋白从发育的最早阶段就开始影响精子。沃尔巴克氏体的前噬菌体WO基因就像木偶大师一样，操纵精子的发育，使它们的基因和共生细菌在节肢动物种群中迅速传播。”

由于精子的发育过程在整个动物王国中看起来很相似，研究人员说，对这一过程的了解可以帮助我们深入了解人类不育的挑战，并为控制有害昆虫种群的新方法提供信息。

“既然我们已经对这个过程进行了逆向工程，我们就可以对已经在使用的沃尔巴克氏体控制人口的方法进行微调。我们计划利用这些知识来增强目前现有的病媒和害虫控制方法，也许从长远来看，可以模仿没有沃尔巴克氏体或病毒蛋白质的技术。”