基因灭虫的发展现状

王梧嵋

早在20世纪初期，人们便发现疟疾这种靠疟蚊叮咬、在人类间广泛传播的疾病。据统计，2016年全球大约有2.16亿人感染疟疾，约44.5万人因此而死亡（较2015年增加了0.7万人）。而另一方面，农作物病虫害是常见农业病害之一。作物病虫害发生频繁且易暴发成灾，常造成农业生产及国民经济重大损失。除农作物病虫害本身带来的减产外，在生产上为了保证农作物的产量又经常出现盲目用药和过度用药的现象，农药残留也会造成水土环境污染。因此，面对疟蚊和农作物病虫的威胁，寻求安全有效，且能持续控制蚊虫的方法迫在眉睫。

1 遗传防控技术

与传统的化学或物理防控策略相比，遗传防控技术是一种在作用对象上更精准（从而降低了对生态环境的不良影响），在作用范围上更广泛（既包括时间上的延续性，也包括空间上对种群的覆盖度）的新技术。遗传防控技术的核心思想是：通过自然环境下蚊虫的交配， 将研究人员选择的某些特定的性状引入到野生种群中。如果这些被引入的性状发生突变或它们靶标的基因对野生种群的生长发育或交配繁殖产生了影响， 那么这些性状或基因通过在蚊群体内的快速散播，不仅可以阻止一些疾病的传播，甚至可以杀死一个具有破坏性的物种。

目前，国内外研究的遗传防控技术包括三大类：不育昆虫技术、携带显性致死基因昆虫释放技术和基因驱动技术。

不育昆虫技术由来已久。在20世纪70年代，包括美国、巴拿马、墨西哥、哥斯达黎加在内的多个国家就开始运用这一技术防治新大陆螺旋蝇。不育昆虫技术的原理，就是通过辐射或不育剂人工诱导不育蚊虫，再将它们释放到野外，从而逐渐降低群体出生率，达到减少蚊虫总量的目的。携带显性致死基因昆虫释放技术和不育昆虫技术的不同在于，前者通过在蚊虫的基因组内插入可条件性表达的致死基因，获得了可稳定遗传的昆虫材料;而后者仅是破坏蚊虫基因。这两种技术都是自我限定型的种群控制方法，即亲本接受遗传改造后被释放到野外，可以将突变遗传给子一代，但是不育或显性致死这样的性状都会随着时间推移而消失， 为了维持这种抑制效果就不得不周期性地释放基因改造蚊虫。

为此，研究人员继续开发自我维持型的基因驱动技术。本文将重点介绍基因驱动技术的发展现状。

2 基因驱动技术

基因驱动技术的想法听起来非常简单，通过动物群体快速散播影响或阻断关键通路的基因，以达到控制或消灭有害种群、阻止疾病传播的目的。基因驱动这个概念本身，是指自然条件下某些特定的基因型或性状在种群中被有偏好性地遗传给后代的现象。有性繁殖生物的遗传规则符合经典的孟德尔遗传规律，通常情况下子代有50∶50的机会从父母亲本那里继承一个基因。而基因驱动改变了这些可能性，优先地将一个特定的基因版本传递给后代，直到理论上整个群体都携带该基因。这种“自私的”遗传方式在小鼠、甲虫和许多其他生物中自然发生，这为研究并借鉴它们以对抗蚊虫提供了基础。

目前，基因驱动技术的核心是新兴的CRISPR-Cas9技术。CRISPR/Cas系统是古细菌和部分细菌在自然条件下遗传进化所获得的免疫系统，时至今日已发展出基因编辑的重要工具。在此基础上，利用CRISPR-Cas9技术可将突变从一条染色体复制到另一条染色体。

3 基因驱动技术的发展和障碍

自2014年以来，科学家们已经在蚊子、果蝇中设计了基于CRISPR-Cas9的基因驱动系统。2015年7月证实，基因驱动体系可以让色素突变基因在实验室中的果蝇群体之间几乎完全地进行传播。2015年末，研究人员在实验室条件下利用CRISPR基因驱动将雌性蚊子的不育症突变传递给了所有子一代。

随着基因灭虫的发展，这一技术的障碍也渐渐浮现。一方面，2015年末，在一场由美国国家科学院、工程院和医学院（NAS）于华盛顿特区所办的研讨会上，多位科学家提出，基因驱动仅在有性繁殖物种中起作用，且这种基因改变的散播是基于每一次成功的遗传。基于模拟的结果——驱动技术必须得持续20代以完全散播，那么对于许多脊椎动物，将需要数十年的时间导入基因突变或特性，并需要更多时间才能使其广泛传播、形成显著改变。另一方面，2017年研究人员在意大利中部的小城市特尔尼利用先进的蚊子笼进行基因驱动研究，这些每个占地150立方米的蚊子笼模拟了非洲冈比亚的蚊子自然栖息地，而在这一研究中发现了蚊子对基因驱动的抵抗。正如抗生素使抗药性细菌兴起一样，基因驱动也为抗性生物的繁殖创造了条件，野生种群几乎肯定会对这些后天修改产生抵抗力。这种抗性的一个来源是CRISPR系统本身和较高的脱靶效应，另一条途径是自然遗传进化。最近的一项研究分析了来自非洲各地的765种野生蚊虫的基因组，在其中发现了极端的遗传多样性，这种多样性将限制基因驱动效率。

针对这一抗性情形的出现，研究人员们提出了两种策略。一是选择正确的靶标，挑选种群中高度保守的基因作为基因驱动的靶标，将出现更少的突变和更少的抗性。另一种是多基因驱动的想法，同时驱动多个靶向基因，或同一基因内的几个位点，可以降低种群内抗性发展的速度。

2018年9月，Crisanti和他的团队在降低抗性的设计前提下，利用基因驱动以100%的效率破坏了一群冈比亚按蚊的名为doublesex的生育基因。被基因改造的雌性蚊子不能叮咬人或动物，也不会产卵;而当它们在笼养条件下传播入种群中，在8～12代之内，笼养的蚊子种群都不产卵。

科学家们预计，三年后可实现工程化的基因驱动动物被释放到野外。

4 基因驱动技术的争议和前景

由于理论上基因驱动技术可彻底消灭一些入侵物种，一些科学家呼吁增强对这种技术的管制，因为它一旦被放行将很难被停下来或是被逆转。同时，在基因流中两个物种之间的成功交配，可能会导致基因驱动的突变带进意外物种——比如在利用基因驱动抗疟时一个物种的跳跃基因驱动可能導致错误的物种消亡。来自俄亥俄州立大学哥伦布分校的植物生物学家Allison Snow说：“我们将拥有改变基因组和更改群落内物种平衡的能力，这也将潜藏很多的无知、人为的错误，或故意的伤害。”2015年底，NAS组织了一个委员会评估这项技术，包括基因驱动研究的科学、伦理和监管信息等方面。委员会报告指出，须了解更多该技术的生态效应、靶标的特异性以及工作者进行有效基因改变的能力。2017年，美国国防部高级研究计划局的安全基因项目宣布，它将花费6500万美元资助研究如何控制、对抗和逆转基因驱动。

针对基因灭虫的利弊，基因驱动接下来的发展应注重解决两个问题。

第一，技术本身的完善。CRISPR-Cas9基因编辑需要变得更加精确，基因选取上更加巧妙以降低抗性，需要在实验前掌握哪些动物存在跨物种繁殖现象。第二，技术思路的调整。应采取一些在生态上更为安全的方法，如改变蚊子的基因使其不能向人类传播疟疾病原体，或者“故障自趋”策略，让基因驱动技术在影响某物种数代之后能够逐渐消失，或研究人员可以决定何时停止一种基因的扩散。

此外，基因驱动的用途还包括保护脆弱的生态系统。遗传生物防治入侵性啮齿类动物（The Genetic Biocontrol of Invasive Rodents， GBIRd）项目希望能利用基因驱动小鼠。而与此同时，就像GBIRd的项目经理Royden Saah指出的一样，“我们要确保我们做得对。无论技术发展多么迅速，我们都需要推进社会科学和伦理。”