基因滅蟲的發展現狀

王梧嵋

早在20世紀初期，人們便發現瘧疾這種靠瘧蚊叮咬、在人類間廣泛傳播的疾病。據統計，2016年全球大約有2.16億人感染瘧疾，約44.5萬人因此而死亡（較2015年增加了0.7萬人）。而另一方面，農作物病蟲害是常見農業病害之一。作物病蟲害發生頻繁且易暴發成災，常造成農業生產及國民經濟重大損失。除農作物病蟲害本身帶來的減產外，在生產上為了保證農作物的產量又經常出現盲目用藥和過度用藥的現象，農藥殘留也會造成水土環境污染。因此，面對瘧蚊和農作物病蟲的威脅，尋求安全有效，且能持續控制蚊蟲的方法迫在眉睫。

1 遺傳防控技術

與傳統的化學或物理防控策略相比，遺傳防控技術是一種在作用對象上更精準（從而降低了對生態環境的不良影響），在作用范圍上更廣泛（既包括時間上的延續性，也包括空間上對種群的覆蓋度）的新技術。遺傳防控技術的核心思想是：通過自然環境下蚊蟲的交配， 將研究人員選擇的某些特定的性狀引入到野生種群中。如果這些被引入的性狀發生突變或它們靶標的基因對野生種群的生長發育或交配繁殖產生了影響， 那么這些性狀或基因通過在蚊群體內的快速散播，不僅可以阻止一些疾病的傳播，甚至可以殺死一個具有破壞性的物種。

目前，國內外研究的遺傳防控技術包括三大類：不育昆蟲技術、攜帶顯性致死基因昆蟲釋放技術和基因驅動技術。

不育昆蟲技術由來已久。在20世紀70年代，包括美國、巴拿馬、墨西哥、哥斯達黎加在內的多個國家就開始運用這一技術防治新大陸螺旋蠅。不育昆蟲技術的原理，就是通過輻射或不育劑人工誘導不育蚊蟲，再將它們釋放到野外，從而逐漸降低群體出生率，達到減少蚊蟲總量的目的。攜帶顯性致死基因昆蟲釋放技術和不育昆蟲技術的不同在于，前者通過在蚊蟲的基因組內插入可條件性表達的致死基因，獲得了可穩定遺傳的昆蟲材料;而后者僅是破壞蚊蟲基因。這兩種技術都是自我限定型的種群控制方法，即親本接受遺傳改造后被釋放到野外，可以將突變遺傳給子一代，但是不育或顯性致死這樣的性狀都會隨著時間推移而消失， 為了維持這種抑制效果就不得不周期性地釋放基因改造蚊蟲。

為此，研究人員繼續開發自我維持型的基因驅動技術。本文將重點介紹基因驅動技術的發展現狀。

2 基因驅動技術

基因驅動技術的想法聽起來非常簡單，通過動物群體快速散播影響或阻斷關鍵通路的基因，以達到控制或消滅有害種群、阻止疾病傳播的目的。基因驅動這個概念本身，是指自然條件下某些特定的基因型或性狀在種群中被有偏好性地遺傳給后代的現象。有性繁殖生物的遺傳規則符合經典的孟德爾遺傳規律，通常情況下子代有50∶50的機會從父母親本那里繼承一個基因。而基因驅動改變了這些可能性，優先地將一個特定的基因版本傳遞給后代，直到理論上整個群體都攜帶該基因。這種“自私的”遺傳方式在小鼠、甲蟲和許多其他生物中自然發生，這為研究并借鑒它們以對抗蚊蟲提供了基礎。

目前，基因驅動技術的核心是新興的CRISPR-Cas9技術。CRISPR/Cas系統是古細菌和部分細菌在自然條件下遺傳進化所獲得的免疫系統，時至今日已發展出基因編輯的重要工具。在此基礎上，利用CRISPR-Cas9技術可將突變從一條染色體復制到另一條染色體。

3 基因驅動技術的發展和障礙

自2014年以來，科學家們已經在蚊子、果蠅中設計了基于CRISPR-Cas9的基因驅動系統。2015年7月證實，基因驅動體系可以讓色素突變基因在實驗室中的果蠅群體之間幾乎完全地進行傳播。2015年末，研究人員在實驗室條件下利用CRISPR基因驅動將雌性蚊子的不育癥突變傳遞給了所有子一代。

隨著基因滅蟲的發展，這一技術的障礙也漸漸浮現。一方面，2015年末，在一場由美國國家科學院、工程院和醫學院（NAS）于華盛頓特區所辦的研討會上，多位科學家提出，基因驅動僅在有性繁殖物種中起作用，且這種基因改變的散播是基于每一次成功的遺傳。基于模擬的結果——驅動技術必須得持續20代以完全散播，那么對于許多脊椎動物，將需要數十年的時間導入基因突變或特性，并需要更多時間才能使其廣泛傳播、形成顯著改變。另一方面，2017年研究人員在意大利中部的小城市特爾尼利用先進的蚊子籠進行基因驅動研究，這些每個占地150立方米的蚊子籠模擬了非洲岡比亞的蚊子自然棲息地，而在這一研究中發現了蚊子對基因驅動的抵抗。正如抗生素使抗藥性細菌興起一樣，基因驅動也為抗性生物的繁殖創造了條件，野生種群幾乎肯定會對這些后天修改產生抵抗力。這種抗性的一個來源是CRISPR系統本身和較高的脫靶效應，另一條途徑是自然遺傳進化。最近的一項研究分析了來自非洲各地的765種野生蚊蟲的基因組，在其中發現了極端的遺傳多樣性，這種多樣性將限制基因驅動效率。

針對這一抗性情形的出現，研究人員們提出了兩種策略。一是選擇正確的靶標，挑選種群中高度保守的基因作為基因驅動的靶標，將出現更少的突變和更少的抗性。另一種是多基因驅動的想法，同時驅動多個靶向基因，或同一基因內的幾個位點，可以降低種群內抗性發展的速度。

2018年9月，Crisanti和他的團隊在降低抗性的設計前提下，利用基因驅動以100%的效率破壞了一群岡比亞按蚊的名為doublesex的生育基因。被基因改造的雌性蚊子不能叮咬人或動物，也不會產卵;而當它們在籠養條件下傳播入種群中，在8～12代之內，籠養的蚊子種群都不產卵。

科學家們預計，三年后可實現工程化的基因驅動動物被釋放到野外。

4 基因驅動技術的爭議和前景

由于理論上基因驅動技術可徹底消滅一些入侵物種，一些科學家呼吁增強對這種技術的管制，因為它一旦被放行將很難被停下來或是被逆轉。同時，在基因流中兩個物種之間的成功交配，可能會導致基因驅動的突變帶進意外物種——比如在利用基因驅動抗瘧時一個物種的跳躍基因驅動可能導致錯誤的物種消亡。來自俄亥俄州立大學哥倫布分校的植物生物學家Allison Snow說：“我們將擁有改變基因組和更改群落內物種平衡的能力，這也將潛藏很多的無知、人為的錯誤，或故意的傷害。”2015年底，NAS組織了一個委員會評估這項技術，包括基因驅動研究的科學、倫理和監管信息等方面。委員會報告指出，須了解更多該技術的生態效應、靶標的特異性以及工作者進行有效基因改變的能力。2017年，美國國防部高級研究計劃局的安全基因項目宣布，它將花費6500萬美元資助研究如何控制、對抗和逆轉基因驅動。

針對基因滅蟲的利弊，基因驅動接下來的發展應注重解決兩個問題。

第一，技術本身的完善。CRISPR-Cas9基因編輯需要變得更加精確，基因選取上更加巧妙以降低抗性，需要在實驗前掌握哪些動物存在跨物種繁殖現象。第二，技術思路的調整。應采取一些在生態上更為安全的方法，如改變蚊子的基因使其不能向人類傳播瘧疾病原體，或者“故障自趨”策略，讓基因驅動技術在影響某物種數代之后能夠逐漸消失，或研究人員可以決定何時停止一種基因的擴散。

此外，基因驅動的用途還包括保護脆弱的生態系統。遺傳生物防治入侵性嚙齒類動物（The Genetic Biocontrol of Invasive Rodents， GBIRd）項目希望能利用基因驅動小鼠。而與此同時，就像GBIRd的項目經理Royden Saah指出的一樣，“我們要確保我們做得對。無論技術發展多么迅速，我們都需要推進社會科學和倫理。”