Modyfikacja genetyczna zapobiega rozprzestrzenianiu się malarii przez komary

Komary zabijają rocznie więcej ludzi niż jakiekolwiek inne zwierzę. Szacuje się, że w 2023 roku te krwiopijne owady zaraziły malarią około 263 milionów ludzi, co doprowadziło do prawie 600 000 zgonów, z czego 80% stanowiły dzieci.

Ostatnie wysiłki mające na celu powstrzymanie transmisji malarii utknęły w martwym punkcie, ponieważ komary uodporniły się na insektycydy, a pasożyty wywołujące malarię uodporniły się na leki. Problemy te pogłębiła pandemia COVID-19, która skomplikowała trwające działania mające na celu zwalczanie malarii.

Naukowcy z University of California w San Diego, Johns Hopkins University, UC Berkeley i University of Sao Paulo opracowali nową metodę, która dzięki metodom genetycznym blokuje zdolność komarów do przenoszenia malarii.

Biolodzy Zhiqian Li i Ethan Beer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego oraz Yuemei Dong i George Dimopoulos z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa stworzyli oparty na CRISPR system edycji genów, który modyfikuje pojedynczą cząsteczkę w ciele komara – drobną, ale skuteczną zmianę, która zatrzymuje przenoszenie pasożyta wywołującego malarię. Zmodyfikowane genetycznie komary nadal mogą gryźć zakażonych ludzi i przenosić pasożyta z krwi, ale nie mogą go już przenosić na inne osoby. Nowy system ma na celu genetyczne rozprzestrzenianie cechy odporności na malarię, aż całe populacje tych owadów przestaną być nosicielami pasożyta.

„Zmiana jednego aminokwasu u komara na inny, naturalnie występujący, który utrudnia infekcję pasożytem malarii – i rozprzestrzenienie tej korzystnej mutacji w całej populacji komarów – to prawdziwy przełom” – powiedział Bier, profesor w Katedrze Biologii Komórkowej i Rozwojowej w Szkole Nauk Biologicznych Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. „Trudno uwierzyć, że tak drobna zmiana może mieć tak spektakularny wpływ”.

Nowy system wykorzystuje CRISPR-Cas9 jako „genetyczne nożyczki” i kieruje RNA, aby dokonać cięcia w precyzyjnym obszarze genomu komara. Następnie zastępuje niepożądany aminokwas, który ułatwia transmisję malarii, korzystnym aminokwasem, który zakłóca ten proces.

System działa na genie kodującym białko znane jako FREP1. Białko to pomaga komarom rozwijać się i żywić się krwią podczas ukąszenia. Nowy system zastępuje aminokwas L224 w FREP1 innym allelem, Q224. Pasożyty wykorzystują L224, aby dostać się do gruczołów ślinowych owada, gdzie przygotowują się do zakażenia nowego żywiciela.

Dimopoulos, profesor w Katedrze Mikrobiologii Molekularnej i Immunologii oraz członek Instytutu Badań nad Malarią w Szkole Zdrowia Publicznego im. Bloomberga przy Johns Hopkins, wraz ze swoim laboratorium przetestował szczepy komarów Anopheles stephensi, głównego wektora malarii w Azji. Odkryli, że zastąpienie L224 białkiem Q224 skutecznie blokowało przedostawanie się dwóch różnych typów pasożytów malarii do gruczołów ślinowych, zapobiegając w ten sposób zakażeniu.

„Piękno tego podejścia polega na tym, że wykorzystujemy naturalnie występujący allel genu komara. Dzięki jednej precyzyjnej zmianie przekształcamy go w potężną tarczę, która blokuje wiele gatunków pasożyta wywołującego malarię – i prawdopodobnie u różnych populacji i gatunków komarów. To otwiera drogę do adaptowalnych, rzeczywistych strategii kontroli chorób” –
powiedział George Dimopoulos.

W kolejnych testach naukowcy odkryli, że chociaż zmiana genetyczna zapobiegła zakażeniu organizmu przez pasożyta, wzrost i reprodukcja komarów pozostały niezmienione. Komary z nową wersją Q224 były tak samo żywotne, jak komary z oryginalnym aminokwasem L224 – to ważne osiągnięcie, biorąc pod uwagę, że białko FREP1 odgrywa ważną rolę w biologii komarów, niezależnie od jego roli w przenoszeniu malarii.

Podobnie jak w przypadku systemu „napędu genowego”, naukowcy opracowali metodę, która pozwala potomstwu komarów odziedziczyć allel Q224 i rozprzestrzenić go w populacji, tym samym powstrzymując transmisję pasożytów malarii. Ten nowy system „napędu allelowego” jest kontynuacją podobnego systemu opracowanego niedawno w laboratorium Beera, który genetycznie odwraca oporność szkodników rolniczych na insektycydy.

„W poprzednim badaniu stworzyliśmy samoistnie niszczący się napęd, który przywraca populację muszki owocowej z oporności na insektycydy do stanu podatności. Następnie ten element kasety genetycznej po prostu znika, pozostawiając jedynie populację „dziką”” – wyjaśnił Bier. „Podobny system-widmo mógłby przekształcić populacje komarów w nosicieli wariantu FREP1Q odpornego na pasożyty”.

Chociaż naukowcy wykazali skuteczność zastąpienia L224 Q224, nie do końca rozumieją, dlaczego ta zmiana działa tak skutecznie. Trwają dalsze badania mające na celu dokładne określenie, w jaki sposób aminokwas Q224 blokuje drogę wniknięcia pasożyta.

„To przełomowe odkrycie jest wynikiem znakomitej pracy zespołowej i innowacji w różnych instytucjach naukowych” – dodał Dimopoulos. „Wspólnie wykorzystaliśmy naturalne narzędzia genetyczne, aby uczynić komary sojusznikami w walce z malarią”.

Badanie opublikowano w czasopiśmie Nature.