ยุงที่มี 'เกราะป้องกันทางพันธุกรรม' ในตัวช่วยหยุดยั้งมาเลเรีย อัตราการติดเชื้อลดลง 93%

การเอาชนะความต้านทานต่อยาฆ่าแมลง: การดัดแปลงยีนเพียงตัวเดียวในยุงทำให้ขยายพันธุ์ข้ามรุ่นได้อย่างไร โดยกำจัดการแพร่กระจายของมาเลเรียได้เกือบหมดโดยไม่กระทบต่อการอยู่รอด

ในการศึกษาวิจัยที่เพิ่งตีพิมพ์ในวารสาร Natureทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ตรวจสอบว่าอัลลีลกลูตามีน 224 (Q224) ในโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับไฟบริโนเจน 1 (FREP1) ทำให้ยุง Anopheles stephensi ต้านทานการติดเชื้อพลาสโมเดียมได้หรือไม่ จากนั้นจึงประเมินต้นทุนการอยู่รอดที่เกี่ยวข้องกับอัลลีลนี้ และทดสอบระบบขับเคลื่อนยีนอัลลีลเพื่อแพร่กระจายการกลายพันธุ์เชิงป้องกันนี้ไปทั่วทั้งประชากร

ข้อกำหนดเบื้องต้น

ในปี พ.ศ. 2566 มีผู้เสียชีวิตจากโรคมาลาเรียประมาณ 600,000 คน ส่วนใหญ่เป็นเด็กในแถบแอฟริกาใต้สะฮาราและเอเชียใต้ วิธีการควบคุมโรคแบบดั้งเดิม เช่น การใช้มุ้ง การใช้ยาฆ่าแมลง และยาต้านมาลาเรีย กำลังสูญเสียประสิทธิภาพเนื่องจากยุงและปรสิตดื้อยา เทคโนโลยีการขับเคลื่อนยีนที่แพร่กระจายอัลลีลที่เป็นประโยชน์ไปทั่วประชากรยุง ถือเป็นทางออกที่มีแนวโน้มและยั่งยืน

โปรตีน FREP1 ช่วยให้ปรสิตสามารถผ่านเข้าไปในลำไส้กลางของยุงได้ แต่ Q224 สายพันธุ์ธรรมชาติสามารถป้องกันการติดเชื้อได้โดยไม่กระทบต่อชีววิทยาของยุง เป้าหมายคือการทดสอบว่าอัลลีลภายในร่างกายดังกล่าวสามารถกระจายตัวได้อย่างปลอดภัยเพื่อลดการแพร่กระจายของเชื้อมาลาเรีย ในขณะที่ยังคงรักษาความมีชีวิตของยุงไว้ได้หรือไม่

เกี่ยวกับการศึกษา

การใช้ CRISPR/Cas9 สามารถสร้าง Anopheles stephensi สองสายพันธุ์ ซึ่งแตกต่างกันเพียงกรดอะมิโนตัวที่ 224 ในโปรตีน FREP1 ได้แก่ สายพันธุ์ป่าที่มีลิวซีน (L224) และสายพันธุ์ที่มีศักยภาพในการป้องกันที่มีกลูตามีน (Q224) RNA ไกด์จะกำหนดเป้าหมายไปที่บริเวณอินทรอน 126 bp ก่อนโคดอน ทำให้เกิดการรวมตัวแบบโฮโมโลกัสด้วยการแทรกฉลากเรืองแสง (GFP หรือ RFP)

สมรรถภาพร่างกายได้รับการประเมินโดยความยาวของปีก ความอุดมสมบูรณ์ ความสามารถในการฟักไข่ ดักแด้ การเกิดของตัวเต็มวัย และอายุขัย (การวิเคราะห์การอยู่รอดของ Kaplan–Meier)

ความสามารถของเวกเตอร์ถูกกำหนดโดยใช้การให้อาหารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์มาตรฐานของปรสิต Plasmodium falciparum (มนุษย์) และ Plasmodium berghei (สัตว์ฟันแทะ) โดยนับจำนวนโอโอซิสต์และสปอโรโซอิตในต่อมน้ำลาย

ระบบขับเคลื่อนอัลลีลประกอบด้วยตลับบรรจุ gRNA ต่อต้าน L224 และ Cas9 ภายใต้การควบคุมของโปรโมเตอร์วาซา ความถี่ของอัลลีลถูกตรวจสอบโดยใช้แท็กฟลูออเรสเซนต์ในการทดลองหลายรอบ (10 รุ่น) การตรวจสอบจีโนไทป์ดำเนินการโดยใช้ PCR, การเรียงลำดับแซงเจอร์ และ NGS แบบจำลองเบย์เซียนประเมินการแปลงอัลลีล ต้นทุนความเหมาะสม และพลวัตระหว่างการผสมพันธุ์แบบอิสระในห้องปฏิบัติการ

ผลลัพธ์

อัลลีล FREP1Q224 ไม่ได้ทำให้อัตราการรอดชีวิตลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยความยาวปีก อัตราการเจริญพันธุ์ การฟักไข่ การดักแด้ และการโตเต็มวัย เหมือนกับอัลลีล FREP1L224 ในกลุ่มควบคุม ความแตกต่างเล็กน้อยของขนาดตัวผู้และอายุขัยไม่ส่งผลต่อความสามารถในการแข่งขัน ตัวเมีย FREP1Q224 ที่ยังบริสุทธิ์มีอายุยืนยาวเท่ากับกลุ่มควบคุม และตัวเมียหลังจากดูดเลือดมีอายุขัยลดลงเพียงเล็กน้อย

การทดลองท้าทายเผยให้เห็นการป้องกันที่ชัดเจนในกลุ่มโฮโมไซโกต

• ที่ความเข้มข้นต่ำของ gametocytes ของ P. falciparum (0.08%):
  • อัตราการติดเชื้อลดลงจาก 80% เหลือประมาณ 30% ใน FREP1Q224
  • จำนวนโอโอซิสต์โดยเฉลี่ย: 3 ถึง 0;
  • สปอโรซอยต์ในต่อมน้ำลาย: จาก >4000 ถึง 0
• ในระดับแกมีโทไซทีเมียที่สูงขึ้น (0.15%):
  • จำนวนเฉลี่ยของโอโอซิสต์: จาก ~32 ถึง
  • สปอโรซอยต์ยังลดลงอย่างมากเช่นกัน
• สำหรับ P. berghei:
  • จำนวนโอโอซิสต์โดยเฉลี่ย: 43 ถึง 25;
  • สปอโรซอยต์: จาก ~19,000 ถึง 11,000
• เฮเทอโรไซโกต (FREP1L224/Q224) ไม่ได้รับการปกป้อง

ประสิทธิภาพการขับเคลื่อนยีน

• ในการผสมพันธุ์แบบจับคู่ Cas9 + gRNA L224 จะแปลง 50 ถึง 86% ของอัลลีล FREP1L224 เป็น FREP1Q224
• สำหรับ Cas9 จากมารดา ความถี่จะสูงขึ้น
• ในรุ่นที่ 2 ความถี่ของอัลลีลป้องกันถึง 93%
• อุบัติการณ์ของข้อผิดพลาดในเส้นทางการซ่อมแซม NHEJ อยู่ในระดับต่ำ (0–12%) และมักทำให้เกิดความเสียหาย
• ในกลุ่มประชากรเซลล์ที่มีอัตราส่วนผู้บริจาค:ผู้รับที่ 1:3 ความถี่ FREP1Q224 เพิ่มขึ้นจาก 25% เป็น >90% ใน 10 รุ่น
• ความถี่ของแอลลีล NHEJ ลดลงจาก 5.4% เหลือ

การสร้างแบบจำลองเบย์เซียนสนับสนุนสมมติฐานของการแปลงสูง ความถี่ต่ำของการกลายพันธุ์ที่เสถียร และเอฟเฟกต์โมเสกที่เป็นหมันซึ่งเป็นอันตราย โดยที่ WT โฮโมไซกัสที่มีจีโนไทป์ Cas9 ของมารดาประสบปัญหาการกลายพันธุ์แบบโซมาติกและการอยู่รอดที่ลดลง

รุ่นต่อๆ มาแสดงให้เห็นการกดโอโอซีสต์ของ P. falciparum เกือบสมบูรณ์ (ค่ามัธยฐาน 0 ถึง 5.5) ซึ่งยืนยันว่าประชากรส่วนใหญ่ดื้อต่อการแพร่กระจายของปรสิต

อัลลีลที่ป้องกันไม่มีประโยชน์หรือผลข้างเคียงที่ซ่อนอยู่ และแพร่กระจายโดยแรงขับเคลื่อน

บทสรุป

การศึกษาพบว่าการแทนที่กรดอะมิโนเพียงตัวเดียวในโปรตีน FREP1 และเปลี่ยนแปลงการถ่ายทอดทางพันธุกรรมโดยใช้ยีนไดรฟ์สามารถทำให้ยุง Anopheles stephensi แทบจะไม่มีภูมิคุ้มกันต่อมาเลเรีย ไม่ว่าจะเป็นในมนุษย์หรือสัตว์ฟันแทะ โดยไม่กระทบต่อความสามารถในการดำรงชีวิตของยุง

แนวทางนี้เสริมมาตรการที่มีอยู่เดิม (เช่น การใช้มุ้ง ยาฆ่าแมลง ยา) ซึ่งประสิทธิภาพจะลดลงเนื่องจากการดื้อยา ระบบดังกล่าวยังสามารถใช้เพื่อฟื้นฟูความไวต่อยาฆ่าแมลงหรือเพิ่มอัลลีลป้องกันอื่นๆ ได้อีกด้วย

ก่อนที่จะนำเทคโนโลยีไปใช้งานได้ จำเป็นต้องมีกรอบด้านสิ่งแวดล้อม จริยธรรม และการกำกับดูแลที่เข้มงวด รวมถึงระบบควบคุมการเผยแพร่