Mygg med innebygd «genetisk skjold» stopper malaria – infeksjonsratene faller med 93 %

Overvinne insektmiddelresistens: Hvordan en enkelt genmodifisering hos mygg sprer seg selv over generasjoner, og praktisk talt eliminerer malariaoverføring uten å kompromittere overlevelse.

I en nylig publisert studie i Nature undersøkte et team av forskere om glutamin 224 (Q224)-allelen i fibrinogenrelatert protein 1 (FREP1) gjør Anopheles stephensi-mygg resistente mot Plasmodium-infeksjon, estimerte overlevelseskostnadene forbundet med denne allelen og testet et allelisk gendrivsystem for å spre denne beskyttende mutasjonen gjennom populasjoner.

Forutsetninger

Rundt 600 000 mennesker døde av malaria i 2023, hovedsakelig barn i Afrika sør for Sahara og Sør-Asia. Tradisjonelle bekjempelsesmetoder – myggnett, insektmiddelbehandlinger og malariamedisiner – mister sin effektivitet på grunn av resistens hos mygg og parasitter. Genteknologier som sprer gunstige alleler gjennom myggpopulasjoner tilbyr en lovende og bærekraftig løsning.

FREP1-proteinet hjelper parasitter med å krysse myggens mellomtarm, men den naturlige varianten Q224 kan forhindre infeksjon uten å kompromittere myggens biologi. Målet var å teste om et slikt endogent allel trygt kunne distribueres for å redusere malariaoverføring samtidig som myggens levedyktighet opprettholdes.

Om studien

Ved hjelp av CRISPR/Cas9 ble det laget to stammer av Anopheles stephensi som bare skilte seg i den 224. aminosyren i FREP1-proteinet: en villtype med leucin (L224) og en potensielt beskyttende stamme med glutamin (Q224). Guide-RNA-et målrettet en intronregion 126 bp oppstrøms for kodonet, noe som muliggjorde homolog rekombinasjon med innsetting av en fluorescerende markør (GFP eller RFP).

Kondisjon ble vurdert etter vingelengde, fruktbarhet, klekking av egg, pupping, fremvekst av voksne individer og levetid (Kaplan-Meier overlevelsesanalyse).

Vektorkompetanse ble bestemt ved bruk av standard membranfôring av Plasmodium falciparum (menneske) og Plasmodium berghei (gnager) parasitter, med oocyst- og sporozoitt-tall i spyttkjertler.

Allel-drivsystemet inkluderte en kassett med gRNA mot L224 og Cas9 under kontroll av vasa-promotoren. Allelfrekvenser ble overvåket ved hjelp av fluorescerende tagger i flersyklusforsøk (10 generasjoner). Genotyping ble utført ved hjelp av PCR, Sanger-sekvensering og NGS. Bayesiansk modellering estimerte allelkonvertering, fitnesskostnader og dynamikk under fri paring i laboratoriet.

Resultater

FREP1Q224-allelet forårsaket ikke signifikante tap i overlevelse: vingelengde, fruktbarhet, klekking, pupping og fremvekst av voksne individer var identiske med FREP1L224-kontrollen. Små forskjeller i hannstørrelse og levetid påvirket ikke konkurranseevnen. Jomfruelige FREP1Q224-hunner levde like lenge som kontrollgruppen, og hunner etter blodforgiftning viste bare en liten reduksjon i levetid.

Utfordringsforsøk avdekket markant beskyttelse hos homozygoter.

• Ved lave konsentrasjoner av P. falciparum gametocytter (0,08 %):
  • Infeksjonsraten falt fra 80 % til ~30 % i FREP1Q224;
  • Gjennomsnittlig antall oocyster: fra 3 til 0;
  • Sporozoitter i spyttkjertler: fra >4000 til 0.
• Ved høyere gametocytemi (0,15 %):
  • Gjennomsnittlig antall oocyster: fra ~32 til
  • Sporozoitter minket også dramatisk.
• For P. berghei:
  • Gjennomsnittlig antall oocyster: fra 43 til 25;
  • Sporozoitter: fra ~19 000 til 11 000.
• Heterozygoter (FREP1L224/Q224) var ikke beskyttet.

Gendriftseffektivitet

• I parede krysninger konverterte Cas9 + gRNA L224 50 til 86 % av FREP1L224-allelene til FREP1Q224;
• Med mors Cas9 var frekvensen høyere;
• I andre generasjon nådde frekvensen av det beskyttende allelet 93 %;
• Forekomsten av NHEJ-reparasjonsveifeil var lav (0–12 %) og forårsaket vanligvis skade.
• I cellepopulasjoner med et donor:mottaker-forhold på 1:3 økte FREP1Q224-frekvensen fra 25 % til >90 % over 10 generasjoner;
• Frekvensen av NHEJ-alleler falt fra 5,4 % til

Bayesiansk modellering støttet hypotesen om høy konvertering, lav frekvens av stabile mutasjoner og en dødelig steril mosaikkeffekt, der WT-homozygoter med den maternelle Cas9-genotypen led av somatiske mutasjoner og redusert overlevelse.

Senere generasjoner viste nesten fullstendig undertrykkelse av P. falciparum-oocyster (median 0 til 5,5), noe som bekreftet at populasjonen i stor grad hadde blitt motstandsdyktig mot parasittoverføring.

Det beskyttende allelet hadde ingen skjulte fordeler eller bivirkninger, og ble spredt via drivkraft.

Konklusjoner

Studien fant at det å erstatte en enkelt aminosyre i FREP1-proteinet og endre arven ved hjelp av en gendriver kunne gjøre Anopheles stephensi praktisk talt immun mot malaria – både mennesker og gnagere – uten å kompromittere myggens levedyktighet.

Denne tilnærmingen utfyller eksisterende tiltak (nett, insektmidler, legemidler) hvis effektivitet reduseres av resistens. Et slikt system kan også brukes til å gjenopprette følsomhet for insektmidler eller introdusere andre beskyttende alleler.

Før teknologien kan implementeres, er det behov for strenge miljømessige, etiske og styringsmessige rammeverk, samt systemer for å kontrollere spredning.