雄性驱动雌性不育系统：自限性控制疟疾媒介冈比亚按蚊的新策略

《Nature Communications》：A male-drive female-sterile system for the self-limited control of the malaria mosquito Anopheles gambiae

本研究针对疟疾防控中杀虫剂耐药性等挑战，开发了一种名为"MDFS"的自限性基因驱动系统。通过靶向冈比亚按蚊的doublesex基因，研究人员实现了雌性特异性不育和雄性驱动的超孟德尔遗传，笼养实验表明重复释放MDFS雄蚊可有效抑制种群数量，为疟疾媒介控制提供了新型工具。

　　

疟疾仍然是全球最致命的传染病之一，每年导致超过60万人死亡，2.49亿人感染。尽管在预防和治疗方面取得了重大进展，但杀虫剂耐药性的出现严重阻碍了疟疾防控进程。冈比亚按蚊作为疟疾的主要传播媒介，在撒哈拉以南非洲地区尤为猖獗，该地区集中了全球96%的疟疾相关死亡病例。面对这一严峻挑战，科学家们迫切需要开发新的防控工具，其中基因修饰蚊虫技术被视为最有前景的方向之一。

传统的基因控制策略主要分为两大类：自我维持型和自我限制型。自我维持型系统如CRISPR基因驱动能够无限期地在目标种群中传播，但存在生态安全风险；而自我限制型系统如RIDL虽然安全性更高，但需要多次大规模释放蚊虫，成本高昂且操作不便。正是在这样的背景下，帝国理工学院的研究团队在《自然·通讯》上报道了一种创新性的自我限制型基因驱动系统——雄性驱动雌性不育系统。

研究人员采用的关键技术方法包括：利用C31重组酶介导的盒式交换技术在doublesex基因位点精准插入MDFS构建体；通过胚胎显微注射技术获得转基因蚊株；使用群体遗传学模型预测种群抑制效果；开展笼养试验验证实际防控效能；采用扩增子测序分析基因编辑效率。

MDFS系统的设计与构建

研究团队将目光投向了doublesex（dsx）基因，该基因是昆虫性别分化的关键调控因子。在冈比亚按蚊中，dsx基因通过选择性剪接产生雌性特异性（dsxF）和雄性特异性（dsxM）两种转录本。研究人员设计了一种包含eCFP荧光标记、vasa2启动子驱动的Cas9核酸酶以及靶向dsx基因外显子5的gRNA的遗传构建体。该构建体通过重组酶介导的盒式交换技术精确插入到dsx基因的内含子4-外显子5边界处。

MDFS雌蚊的表型特征

研究发现，所有携带MDFS构建体的遗传雌性都表现出明显的间性特征，完全丧失生育能力。解剖分析显示，这些雌蚊具有钳状抱握器（正常情况下仅存在于雄蚊）、棒状下颚须和更为发达的触角等雄性特征。虽然大多数个体（37/41）仍保留卵巢结构，但这些卵巢发育不全，且仅有一只雌蚊具有受精囊，但其尺寸远小于野生型雌蚊。值得注意的是，所有MDFS雌蚊都出现了雄性附腺，进一步证实了其间性表型。

MDFS雄蚊的繁殖能力与遗传特性

与雌蚊相反，MDFS雄蚊保持了正常的繁殖能力。 fertility assay（生育力测定）显示，MDFS雄蚊的平均幼虫产出量（68.6±5.6）与野生型对照（77.6±5.7）无显著差异。更重要的是，MDFS构建体表现出近乎完美的超孟德尔遗传特性，遗传率高达99.5±0.3%。当MDFS与X-染色体切割系统结合时，这种组合不仅保持了高遗传率（99.7±0.3%），还导致了强烈的性别比例偏斜，后代中雄蚊比例达到93.6%。

笼养试验验证种群抑制效果

研究人员进行了严格的笼养试验，初始种群为400只野生型蚊虫。从第四代开始，每代释放100只MDFS雄蚊（相当于初始雄蚊数量的50%）。结果显示，经过8次连续释放后，两个重复笼中的蚊群均完全崩溃，MDFS等位基因频率达到100%，且无任何可育雌蚊存在。相比之下，在第三代后停止释放的对照组笼中，种群数量保持稳定，证实了该系统的自我限制特性。

群体遗传学模型预测

基于实验数据建立的确定性模型表明，MDFS策略在实现99%种群抑制方面显著优于其他自我限制型策略。与最优化的X-染色体切割系统相比，单独使用MDFS可将释放量降低4.3倍；而与经典的不育昆虫技术相比，释放量可降低13倍。当MDFS与X-染色体切割系统结合时，释放量可进一步降低60-70%。

这项研究成功开发了一种新型自我限制型基因驱动系统，为疟疾媒介控制提供了创新性解决方案。MDFS系统通过巧妙利用doublesex基因的性别特异性功能和CRISPR-Cas9基因编辑技术，实现了雌蚊特异性不育和雄蚊驱动的超孟德尔遗传，在实验室条件下展现出强大的种群抑制能力。与传统的基因驱动策略相比，MDFS具有自我限制、生态安全性高、操作相对简便等优势。特别值得注意的是，dsx基因靶位点的高度功能保守性确保了该策略的长期有效性，而不会产生抗性突变。

然而，研究人员也指出，要将MDFS系统应用于实地防控，仍需解决大规模饲养和性别分选等技术挑战。此外，未来研究还应关注如何进一步提高该系统的效率和安全性，例如通过引入多个gRNA靶点来预防潜在抗性突变的发生，或选择单倍体不足的雌性生育基因作为靶点以增强自我限制特性。这项研究为疟疾防控提供了新的技术路径，也为其他害虫的基因控制策略开发提供了重要参考。