Țânțarii cu „scut genetic” încorporat opresc malaria - ratele de infecție scad cu 93%

Depășirea rezistenței la insecticide: Cum o singură modificare genetică la țânțari se autopropaga de-a lungul generațiilor, eliminând practic transmiterea malariei fără a compromite supraviețuirea.

Într-un studiu publicat recent în revista Nature, o echipă de oameni de știință a examinat dacă alela glutaminei 224 (Q224) din proteina 1 legată de fibrinogen (FREP1) face țânțarii Anopheles stephensi rezistenți la infecția cu Plasmodium, a estimat costurile de supraviețuire asociate cu această alelă și a testat un sistem alelic de impulsionare a genelor pentru a răspândi această mutație protectoare în rândul populațiilor.

Cerințe preliminare

Aproximativ 600.000 de oameni au murit din cauza malariei în 2023, majoritatea copii din Africa Subsahariană și Asia de Sud. Metodele tradiționale de control – plase de țânțari, tratamente cu insecticide, medicamente antimalarice – își pierd eficacitatea din cauza rezistenței țânțarilor și paraziților. Tehnologiile de impulsionare genetică care răspândesc alele benefice prin populațiile de țânțari oferă o soluție promițătoare și durabilă.

Proteina FREP1 ajută paraziții să traverseze intestinul mijlociu al țânțarului, dar varianta naturală Q224 poate preveni infecția fără a compromite biologia țânțarului. Scopul a fost de a testa dacă o astfel de alelă endogenă ar putea fi distribuită în siguranță pentru a reduce transmiterea malariei, menținând în același timp viabilitatea țânțarului.

Despre studiu

Folosind CRISPR/Cas9, au fost create două tulpini de Anopheles stephensi care diferă doar prin aminoacidul 224 din proteina FREP1: un tip sălbatic cu leucină (L224) și o tulpină potențial protectoare cu glutamină (Q224). ARN-ul ghid a vizat o regiune intronică aflată la 126 pb în amonte de codon, permițând recombinarea omoloagă cu inserarea unui marker fluorescent (GFP sau RFP).

Aptitudinea fizică a fost evaluată în funcție de lungimea aripilor, fecunditatea, eclozabilitatea ouălor, puparea, apariția adulților și durata de viață (analiza Kaplan-Meier a supraviețuirii).

Competența vectorială a fost determinată utilizând hrănirea standard cu membrană a paraziților Plasmodium falciparum (uman) și Plasmodium berghei (rozătoare), cu numărarea de oochisturi și sporozoiți în glandele salivare.

Sistemul de acționare alelică a inclus o casetă cu ARNg împotriva L224 și Cas9 sub controlul promotorului vasa. Frecvențele alelelor au fost monitorizate folosind etichete fluorescente în experimente multi-ciclu (10 generații). Genotiparea a fost efectuată folosind PCR, secvențiere Sanger și NGS. Modelarea bayesiană a estimat conversia alelelor, costurile de fitness și dinamica în timpul împerecherii libere în laborator.

Rezultate

Alela FREP1Q224 nu a cauzat pierderi semnificative în ceea ce privește supraviețuirea: lungimea aripilor, fecunditatea, eclozarea, puparea și apariția adulților au fost identice cu cele din grupul de control FREP1L224. Micile diferențe în ceea ce privește dimensiunea și durata de viață a masculilor nu au afectat competitivitatea. Femelele virgine FREP1Q224 au trăit la fel de mult ca grupul de control, iar femelele, după hrănirea cu sânge, au prezentat doar o ușoară scădere a duratei de viață.

Experimentele de provocare au relevat o protecție marcată la homozigoți.

• La concentrații scăzute de gametocite de P. falciparum (0,08%):
  • Rata de infecție a scăzut de la 80% la ~30% în FREP1Q224;
  • Numărul mediu de oochisturi: de la 3 la 0;
  • Sporozoiți în glandele salivare: de la >4000 la 0.
• La gametocitemie mai mare (0,15%):
  • Număr mediu de oochisturi: de la ~32 la
  • Sporozoiții au scăzut, de asemenea, dramatic.
• Pentru P. berghei:
  • Numărul mediu de oochisturi: de la 43 la 25;
  • Sporozoiți: de la ~19.000 la 11.000.
• Heterozigoții (FREP1L224/Q224) nu au fost protejați.

Eficiența impulsului genetic

• În încrucișările pereche, Cas9 + gRNA L224 a convertit 50 până la 86% din alelele FREP1L224 în FREP1Q224;
• În cazul Cas9 matern, frecvența a fost mai mare;
• În a doua generație, frecvența alelei protectoare a ajuns la 93%;
• Incidența erorii căii de reparare NHEJ a fost scăzută (0-12%) și a cauzat de obicei leziuni.
• În populațiile celulare cu un raport donator:receptor de 1:3, frecvența FREP1Q224 a crescut de la 25% la >90% pe parcursul a 10 generații;
• Frecvența alelelor NHEJ a scăzut de la 5,4% la

Modelarea bayesiană a susținut ipoteza unei conversii ridicate, a frecvenței scăzute a mutațiilor stabile și a unui efect de mozaicism steril letal, în care homozigoții WT cu genotipul matern Cas9 au suferit de mutații somatice și o supraviețuire redusă.

Generațiile ulterioare au arătat o suprimare aproape completă a oochisturilor de P. falciparum (mediană 0 până la 5,5), confirmând că populația devenise în mare parte refractară la transmiterea parazitului.

Alela protectoare nu avea beneficii ascunse sau efecte secundare și se răspândea prin impuls.

Concluzii

Studiul a descoperit că înlocuirea unui singur aminoacid din proteina FREP1 și modificarea moștenirii sale folosind un impuls genetic ar putea face Anopheles stephensi practic imun la malarie - atât la oameni, cât și la rozătoare - fără a compromite viabilitatea țânțarilor.

Această abordare completează măsurile existente (plase, insecticide, medicamente) a căror eficacitate este redusă de rezistență. Un astfel de sistem poate fi utilizat și pentru a restabili sensibilitatea la insecticide sau pentru a introduce alte alele protectoare.

Înainte ca tehnologia să poată fi implementată, sunt necesare cadre stricte de mediu, etice și de guvernanță, precum și sisteme de control al diseminării.