יתושים עם "מגן גנטי" מובנה עוצרים מלריה - שיעורי ההדבקה ירדו ב-93%

התגברות על עמידות לחומרי הדברה: כיצד שינוי גן יחיד ביתושים מתפשט מעצמו לאורך דורות, ומבטל כמעט לחלוטין את העברת המלריה מבלי לפגוע בהישרדות.

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature, צוות מדענים בחן האם האלל גלוטמין 224 (Q224) בחלבון 1 הקשור לפיברינוגן (FREP1) הופך יתושי אנופלס סטפנסי לעמידים בפני זיהום פלסמודיום, העריך את עלויות ההישרדות הקשורות לאלל זה, ובדק מערכת הנעה גנטית אללית להפצת מוטציה מגנה זו באוכלוסיות.

דרישות קדם

כ-600,000 בני אדם מתו ממלריה בשנת 2023, רובם ילדים באפריקה שמדרום לסהרה ובדרום אסיה. שיטות הדברה מסורתיות - רשתות נגד יתושים, טיפולים בקוטלי חרקים, תרופות נגד מלריה - מאבדות מיעילותן עקב עמידות ביתושים וטפילים. טכנולוגיות גנטיות המפיצות אללים מועילים דרך אוכלוסיות יתושים מציעות פתרון מבטיח ובר קיימא.

חלבון FREP1 מסייע לטפילים לחצות את אמצע המעי של היתוש, אך הווריאנט הטבעי Q224 יכול למנוע הדבקה מבלי לפגוע בביולוגיה של היתוש. המטרה הייתה לבדוק האם אלל אנדוגני כזה יכול להיות מופץ בבטחה כדי להפחית את העברת המלריה תוך שמירה על חיוניות היתוש.

אודות המחקר

באמצעות CRISPR/Cas9, נוצרו שני זנים של Anopheles stephensi שנבדלו רק בחומצת האמינו ה-224 בחלבון FREP1: זן בר עם לאוצין (L224) וזן בעל פוטנציאל מגן עם גלוטמין (Q224). ה-RNA המנחה כיוון לאזור אינטרון 126 בסיסים במעלה הזרם של הקודון, מה שאפשר רקומבינציה הומולוגית עם החדרת תווית פלואורסצנטית (GFP או RFP).

הכושר הוערך לפי אורך הכנף, פוריות, בקיעת הביצים, גלמור, הופעת הבוגרים ותוחלת חיים (ניתוח הישרדות קפלן-מאייר).

כשירות הווקטורים נקבעה באמצעות הזנה סטנדרטית דרך הממברנה של טפילי Plasmodium falciparum (אדם) ו-Plasmodium berghei (מכרסם), עם ספירת ביציות וספורוזואיטים בבלוטות הרוק.

מערכת הנעת האללים כללה קסטה עם gRNA כנגד L224 ו-Cas9 תחת בקרת פרומוטר ה-vasa. תדרי האללים נוטרו באמצעות תגיות פלואורסצנטיות בניסויים רב-מחזוריים (10 דורות). גנוטיפינג בוצע באמצעות PCR, ריצוף סנגר ו-NGS. מודל בייסיאני העריך את המרת האללים, עלויות הכושר והדינמיקה במהלך הזדווגות חופשית במעבדה.

תוצאות

האלל FREP1Q224 לא גרם לאובדן משמעותי בהישרדות: אורך הכנף, פוריות, בקיעה, גלמור והופעת בוגרים היו זהים לאלל של קבוצת הביקורת FREP1L224. הבדלים קטנים בגודל הזכרים ובתוחלת החיים לא השפיעו על התחרותיות. נקבות FREP1Q224 בתולות חיו זמן רב כמו קבוצת הביקורת, ונקבות לאחר הזנה בדם הראו ירידה קלה בלבד בתוחלת החיים.

ניסויי אתגר גילו הגנה ניכרת בהומוזיגוטים.

• בריכוזים נמוכים של גמטוציטים של P. falciparum (0.08%):
  • שיעור ההדבקה ירד מ-80% ל-~30% ב-FREP1Q224;
  • מספר ממוצע של ביציות: מ-3 עד 0;
  • ספורוזואיטים בבלוטות הרוק: מ-4000 עד 0.
• בגמטוציטמיה גבוהה יותר (0.15%):
  • מספר ממוצע של ביציות: מ-32 עד
  • גם מספר הספורוזואיטים ירד באופן דרמטי.
• עבור פ. ברגהיי:
  • מספר ממוצע של ביציות: בין 43 ל-25;
  • ספורוזואיטים: מ-19,000 עד 11,000.
• הטרוזיגוטים (FREP1L224/Q224) לא היו מוגנים.

יעילות מניעת גנים

• בשילובים זוגיים, Cas9 + gRNA L224 המיר 50 עד 86% מהאללים של FREP1L224 ל-FREP1Q224;
• עם Cas9 אימהי, התדירות הייתה גבוהה יותר;
• בדור השני, שכיחות האלל המגן הגיעה ל-93%;
• שכיחות שגיאת מסלול התיקון של NHEJ הייתה נמוכה (0-12%) ובדרך כלל גרמה נזק.
• באוכלוסיות תאים עם יחס תורם:מקבל של 1:3, שכיחות FREP1Q224 עלתה מ-25% ל->90% במשך 10 דורות;
• שכיחות האללים של NHEJ ירדה מ-5.4% ל-

המודל בייסיאני תמך בהשערה של המרה גבוהה, תדירות נמוכה של מוטציות יציבות ואפקט מוזאיקיזם סטרילי קטלני, כאשר הומוזיגוטים של WT עם הגנוטיפ Cas9 האימהי סבלו ממוטציות סומטיות והישרדות מופחתת.

דורות מאוחרים יותר הראו דיכוי כמעט מוחלט של ביציות P. falciparum (חציון 0 עד 5.5), מה שאישר שהאוכלוסייה הפכה עמידה במידה רבה להעברת טפילים.

לאלל המגן לא היו יתרונות נסתרים או תופעות לוואי, והוא הופץ באמצעות דחף.

מסקנות

המחקר מצא כי החלפת חומצת אמינו בודדת בחלבון FREP1 ושינוי הירושה שלו באמצעות מנוע גנים יכולים להפוך את אנופלס סטפנסי לחסין כמעט לחלוטין מפני מלריה - הן בני אדם והן מכרסמים - מבלי לפגוע בכדאיות היתושים.

גישה זו משלימה אמצעים קיימים (רשתות, קוטלי חרקים, תרופות) שיעילותם מופחתת עקב עמידות. מערכת כזו יכולה לשמש גם כדי לשקם רגישות לקוטלי חרקים או להחדיר אללים מגנים אחרים.

לפני שניתן יהיה ליישם את הטכנולוגיה, יש צורך במסגרות סביבתיות, אתיות וממשלתיות מחמירות, כמו גם במערכות לשליטה בהפצה.