البعوض المزود بـ"درع وراثي" يوقف الملاريا - معدلات الإصابة تنخفض بنسبة 93%

التغلب على مقاومة المبيدات الحشرية: كيف يمكن لتعديل جيني واحد في البعوض أن ينتشر ذاتيًا عبر الأجيال، مما يقضي عمليًا على انتقال مرض الملاريا دون المساس بالبقاء على قيد الحياة.

في دراسة نشرت مؤخرا في مجلة Nature ، قام فريق من العلماء بفحص ما إذا كان الأليل الجلوتامين 224 (Q224) في بروتين الفيبرينوجين المرتبط 1 (FREP1) يجعل بعوض Anopheles stephensi مقاومًا لعدوى البلازموديوم، وقاموا بتقدير تكاليف البقاء المرتبطة بهذا الأليل، واختبار نظام محرك الجينات الأليلي لنشر هذه الطفرة الوقائية عبر السكان.

المتطلبات الأساسية

في عام ٢٠٢٣، لقي حوالي ٦٠٠ ألف شخص حتفهم بسبب الملاريا، معظمهم من الأطفال في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وجنوب آسيا. وتفقد أساليب المكافحة التقليدية - الناموسيات، والمبيدات الحشرية، والأدوية المضادة للملاريا - فعاليتها بسبب مقاومة البعوض والطفيليات لها. وتُقدم تقنيات الدفع الجيني التي تنشر الأليلات المفيدة بين أسراب البعوض حلاً واعدًا ومستدامًا.

يساعد بروتين FREP1 الطفيليات على عبور الأمعاء الوسطى للبعوض، لكن المتغير الطبيعي Q224 قادر على منع العدوى دون المساس ببيولوجيا البعوض. كان الهدف اختبار إمكانية توزيع هذا الأليل الداخلي بأمان للحد من انتقال الملاريا مع الحفاظ على قدرة البعوض على البقاء.

حول الدراسة

باستخدام تقنية كريسبر/كاس9، تم إنتاج سلالتين من بعوضة أنوفيليس ستيفينسي، تختلفان فقط في الحمض الأميني رقم 224 في بروتين FREP1: سلالة برية تحتوي على الليوسين (L224)، وسلالة واقية محتملة تحتوي على الجلوتامين (Q224). استهدف الحمض النووي الريبوزي الدليل منطقة إنترون تقع على بُعد 126 زوجًا قاعديًا قبل الكودون، مما يسمح بإعادة التركيب المتماثل بإدخال علامة فلورية (GFP أو RFP).

تم تقييم اللياقة البدنية من خلال طول الجناح، والخصوبة، وقابلية فقس البيض، والتعذر، وخروج الحشرة البالغة، وعمرها الافتراضي (تحليل بقاء كابلان ماير).

تم تحديد كفاءة الناقل باستخدام التغذية الغشائية القياسية لطفيليات المتصورة المنجلية (البشرية) والمتصورة بيرغي (القوارض)، مع عدد الأكياس والأبواغ في الغدد اللعابية.

تضمّن نظام دفع الأليلات شريطًا يحتوي على gRNA ضد L224 وCas9 تحت سيطرة مُحفِّز الأوعية الدموية. رُصدت ترددات الأليلات باستخدام علامات فلورية في تجارب متعددة الدورات (عشرة أجيال). أُجري التنميط الجيني باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، وتسلسل سانجر، وتسلسل الجيل التالي (NGS). قدّرت النمذجة البايزية تحويل الأليلات، وتكاليف اللياقة، وديناميكياتها أثناء التزاوج الحر في المختبر.

نتائج

لم يُسبب أليل FREP1Q224 خسائر كبيرة في معدلات البقاء: كانت كل من طول الجناح، والخصوبة، والفقس، والتعذر، وظهور البيضة البالغة مطابقةً لتلك الموجودة في المجموعة الضابطة FREP1L224. ولم تؤثر الاختلافات الطفيفة في حجم الذكور وعمرهم على القدرة التنافسية. عاشت إناث FREP1Q224 العذراء نفس عمر المجموعة الضابطة، ولم تُظهر الإناث بعد التغذية بالدم سوى انخفاض طفيف في عمرها.

أظهرت تجارب التحدي حماية ملحوظة في المتماثلين وراثيا.

• عند تركيزات منخفضة من أمشاج المتصورة المنجلية (0.08%):
  • انخفض معدل الإصابة من 80% إلى حوالي 30% في FREP1Q224؛
  • متوسط عدد الأكياس: من 3 إلى 0؛
  • الأبواغ في الغدد اللعابية: من >4000 إلى 0.
• عند ارتفاع نسبة الأمشاج (0.15%):
  • متوسط عدد الأكياس: من ~32 إلى
  • كما انخفضت الأبواغ بشكل كبير.
• بالنسبة لـ P. berghei:
  • متوسط عدد الأكياس: من 43 إلى 25؛
  • الأبواغ: من حوالي 19000 إلى 11000.
• لم يتم حماية المتغايرين (FREP1L224/Q224).

كفاءة محرك الجينات

• في التهجينات المزدوجة، قام Cas9 + gRNA L224 بتحويل 50 إلى 86% من أليلات FREP1L224 إلى FREP1Q224؛
• مع وجود Cas9 الأمومي، كان التردد أعلى؛
• وفي الجيل الثاني وصل معدل تكرار الأليل الوقائي إلى 93%؛
• كان معدل حدوث خطأ في مسار إصلاح NHEJ منخفضًا (0-12٪) وعادةً ما كان يسبب الضرر.
• في مجموعات الخلايا التي تبلغ نسبة المتبرع إلى المتلقي فيها 1:3، زاد تواتر FREP1Q224 من 25% إلى >90% على مدى 10 أجيال؛
• انخفض معدل أليلات NHEJ من 5.4% إلى

دعمت النمذجة البايزية فرضية التحويل العالي، وانخفاض معدل الطفرات المستقرة وتأثير الفسيفساء العقيمة القاتلة، حيث عانت متماثلات الزيجوت البرية التي تحمل النمط الجيني Cas9 الأمومي من طفرات جسدية وانخفاض معدلات البقاء على قيد الحياة.

أظهرت الأجيال اللاحقة قمعًا شبه كامل لأكياسات المتصورة المنجلية (متوسط 0 إلى 5.5)، مما يؤكد أن السكان أصبحوا مقاومين إلى حد كبير لانتقال الطفيليات.

لم يكن للأليل الوقائي أي فوائد خفية أو آثار جانبية، وتم انتشاره عن طريق الدافع.

الاستنتاجات

توصلت الدراسة إلى أن استبدال حمض أميني واحد في بروتين FREP1 وتحويل وراثته باستخدام محرك الجينات يمكن أن يجعل Anopheles stephensi محصنًا تقريبًا ضد الملاريا - سواء البشرية أو القوارض - دون المساس بقدرة البعوض على البقاء.

يُكمّل هذا النهج التدابير الحالية (الناموسيات، المبيدات الحشرية، الأدوية) التي تقلّ فعاليتها بسبب المقاومة. ويمكن استخدام هذا النظام أيضًا لاستعادة حساسية الحشرات للمبيدات الحشرية أو إدخال أليلات وقائية أخرى.

قبل أن يتم تنفيذ هذه التكنولوجيا، هناك حاجة إلى أطر بيئية وأخلاقية وحوكمة صارمة، فضلاً عن أنظمة للتحكم في نشرها.