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新知·廣東科技獎|「虎蚊剋星」鬥蚊17年: 沒有一隻蚊能逃過他的眼睛

歷經17載,廣州科學家完成了白紋伊蚊全基因組序列測序,並找到其與抗藥、免疫、性別相關的關鍵基因,為精準消滅蚊蟲提供了科學依據。27日,由南方醫科大學公共衛生學院陳曉光教授領銜的「重要媒介蚊蟲防製的關鍵科學技術」獲得廣東省科學技術進步一等獎。

在業界,陳曉光被譽為「虎蚊剋星」,有雙能瞬間識別雄雌蚊蟲的「火眼金睛」,「沒有一隻蚊蟲能逃過我的眼睛」。

事實上,陳曉光對白紋伊蚊的了解僅限於蚊子表面,而是深入到基因層次。目前,他與團隊的一系列研究成果已走出實驗室,不僅被轉化為新型、高效、實用、環保的蚊蟲監測和控制技術和產品,而且被政府、疾控部門、有害生物從業人員廣泛採用,成為了防控蚊蟲的新辦法。

蚊蟲基因有多龐大?約為人類的2/3

蚊蟲的「引人厭」程度不必多說。更可惡的是,它是一種重要的媒介昆蟲,以白紋伊蚊為例,能傳播登革熱、寨卡病毒病、基孔肯亞熱、黃熱病等重要傳染病。

白紋伊蚊的「祖籍」是在亞洲,我國最早在《西湖志》上有記載:「湖中多蚊,有豹腳者尤毒……」,由於其身具白環形似老虎,而且咬人吸血非常兇猛,因此被稱為「亞洲虎蚊」。目前,白紋伊蚊是世界上擴散性最強的100種入侵生物之一,短短40年間已從其起源地東亞,擴散到了除南極洲以外的其他地區。

虎蚊危害大。世界上科學家一直嘗試從基因角度去找到它迅速擴散和傳播疾病的規律,陳曉光就是其中之一。

2002年,陳曉光參加一次國際學術會議時,得到啟發:能否通過改造蚊蟲基因,來控制白紋伊蚊或使其不吸血傳病?

陳曉光回國後,就開始組團隊,一門心思撲在蚊蟲基因的研究上。他設計了研究思路:改造基因的第一步是認識基因,需將白紋伊蚊的基因組「挨個查看」。可是,白紋伊蚊的基因組非常大,據初步估算將近2GB(1GB等於1024MB),約為人類的2/3,是迄今已知最大的蚊蟲基因組。

不僅數量大,而且白紋伊蚊基因組很複雜,雜合度高並具有非常多的重複序列。

怎麼辦?一直以來,這兩塊「硬骨頭」是科學家的「心病」。「許多研究難有突破,就是繞不開這兩個瓶頸。」陳曉光說。

萬變不離其宗。陳曉光說,「白紋伊蚊不是從石頭裡蹦出來,若是能通過近親交配,繁育後代,則可能獲得雜合度低、比較純正的基因組。」

在南方醫科大學熱帶病研究所,有1981年從佛山「被搬遷」過來的白紋伊蚊。陳曉光團隊從一隻白紋伊蚊雌蚊出發,對其後代進行了長期系統艱難的近親繁殖。經過十幾代的培育,終於從一隻蚊蛹中提取到了雜合度極低的基因組DNA並完成了測序。「這一近親繁殖品系的培育,就耗費了1年多的時間。」陳曉光說。

難題逐個攻破。陳曉光團隊又通過提高測序深度、增加測序片斷長度等系列技術手段,解決了重複序列的組裝難題,讓每一個重複序列都能找準自己的位置,避免「走錯門、坐錯位」。

通過「提純」和「延深」等新方法,陳曉光團隊終於打開了白紋伊蚊神秘的基因之門。

設立「第三者」,破壞「家庭關係」

將白紋伊蚊的基因測序、組裝、注釋完畢後,陳曉光將研究推入了快車道。

在過去,科學家不重視miRNA,認為它用處不大,但2000年後,基礎研究的發展提供一種新思路:這不起眼的「小玩意兒」 在細胞凋亡、癌症發生、胚胎髮育、病原體感染中有關鍵作用。

「這是一種全新的基因表達調控機制。」陳曉光解釋,在機體內,miRNA與mRNA「結對子」,引起靶基因的降解或抑製它的表達,實現調控基因表達的目的,「這一過程就好像是組建家庭,男女雙方的行為習慣,會影響對方的決策,把控家庭整體走向。」

但miRNA一點也不專一,喜歡「玩曖昧」。「有時是一個miRNA調控多個基因表達,有時是數個miRNA精細分工,共同作用於某個基因的表達。」陳曉光說。

其實,昆蟲類的miRNA一開始是以果蠅為基礎開展的,科學家發現果蠅的不同發育階段有110種不同miRNA表達。於是,陳曉光猜想,白紋伊蚊存在miRNA嗎?若有,它的構成如何?從蟲卵到成蚊,在不同階段它會否有不同的表達特徵?有沒有特殊的功能作用?

答案還是要從實驗中尋找。

陳曉光團隊運用了高通量的測序技術,對白紋伊蚊不同發育階段(卵、幼蟲、蛹、成蚊)的小RNA樣本進行深度測序,發現在幼蟲階段的白紋伊蚊,miRNA存在特異性表達,提示有特殊性的功能。

眼尖兒的團隊不放過這一個細節,並在思考:「如果敲除了miRNA,會否影響白紋伊蚊相應的基因表達,蚊蟲的成長軌跡會發生變化嗎?」

陳曉光團隊帶著疑問開始了實驗求證。結果發現,幼蟲階段的一個miRMA對幼蟲的生長髮育有重要影響,如將其去除,則幼蟲很快死亡。。

同時,研究團隊還發現,白紋伊蚊感染登革病毒後,某些miRNA 的表達譜出現異常,進一步的功能分析揭示這些miRNA在蚊蟲對抗病毒的感染中起重要作用。

靈機一動。陳曉光意識到,如果找來一個「第三者」,阻止小RNA與靶基因發生關係,蚊蟲的繁殖與病毒傳播可能就不會一帆風順。

這些研究成果為防控白紋伊蚊及其傳染病提供了新思路,為研發新型殺蟲劑和抗病毒藥物提供了新靶標。

嗅覺系統能識別「朋友」與敵人

不少人會有疑惑:為何夜晚烏漆抹黑中,蚊子還能精準定位找到你?

答案是氣味。

「白紋伊蚊的生存與繁殖,其嗅覺系統起重要作用。」陳曉光解釋,蚊蟲的嗅覺系統主要是嗅覺結合蛋白與嗅覺神經元上的受體,其中前者是啟動嗅覺的鑰匙,後者是嗅覺產生的門戶,兩者相互協調,為蚊蟲尋找食物、吸血宿主和產卵地、識別「朋友」和「敵人」有關鍵作用。

當外界氣味分子進入蚊蟲的「鼻子」--觸角時, 氣味分子會搭上一輛名為嗅覺結合蛋白的「公車」,抵達「終點站」 嗅覺神經元,與嗅覺受體特異結合,改變神經元細胞膜的離子通道,產生細胞膜內外的電壓變化。蚊子的中樞神經系統通過感知和分析不同氣味引起的電壓變化譜,就會確定下一步行動計劃,選擇規避或者是前往「獵食「。

夏天時,人身上的體味與汗味更重,因此更易吸引蚊蟲的「光臨」。

一直以來,科學家對白紋伊蚊的嗅覺結合蛋白和嗅覺受體了解得很有限。在完成龐大的基因組測序、組裝、注釋後,陳曉光團隊開始探究白紋伊蚊的嗅覺系統和功能機制。

猜想、論證、再猜想、再論證……科學實驗是一場猜想與論證的循環,直到找出最終結果。通過對不同生物基因組的大數據分析, 陳曉光尋找到虎蚊體內可能與嗅覺相關的受體基因,將其克隆並表達在細胞表面。隨後,陳曉光在培養基中使用氣味分子「引誘」它,若是能打開細胞膜上的鈉離子通道,則初步證明是有氣味識別功能的嗅覺受體。

論證還需在動物上進行。在昆蟲界,果蠅是一種功能強大的模式生物,科學家對其細胞、基因的功能作用都已研究透徹。陳曉光通過轉基因技術,將白紋伊蚊的受體基因植入到「已騰空」的果蠅嗅覺神經元中,看其是否仍能識彆氣味分子,若可以,則進一步證明其是嗅覺受體。

「我們通過尋找有識彆氣味分子功能的嗅覺受體,並闡明作用機制,為我們研製開發有應用價值的引誘劑和趨避劑提供技術平台。」陳曉光道出研究目的:嗅覺受體的研究具有非常廣闊的應用前景。

陳曉光拿出了一摞摞的研究成果,「就白紋伊蚊而言,涉及殺蟲劑抗性、滯育、性別決定、免疫和嗅覺的基因也與其他的媒介蚊蟲有很大的不同。」其中,團隊尤其關注的是滯育基因。

什麼是滯育?通俗點說,就是白紋伊蚊在遭遇到惡劣氣候和環境條件如不適宜生長的氣溫時,這些基因就能自動讓蚊卵進入到類似「冬眠」的停滯發育狀態。而待到條件適宜時,蚊卵又能復甦,恢復生長髮育成成蚊。

「白紋伊蚊也正是憑藉著這一特性,在短短40年擴散到了幾乎整個地球。」陳曉光說。

陳曉光團隊通過長期研究,摸清了廣州地區白紋伊蚊的滯育規律,發現其解除滯育的時間在2月底3月初,因此建議把每年的愛國衛生月由4月提前到3月,可以更高效率地控制越冬蚊。

敲除蚊子性別基因致「陽盛陰衰」

查找昆蟲的性別基因,是不少科學家研究的課題,然而,在果蠅、蜜蜂和按蚊身上,科學家發現,這一趟「尋找之旅」遠比他們想像得要艱難。

更遑論是擁有海量基因和繁雜重複序列的白紋伊蚊了。陳曉光形容:「尋找雄性決定基因就好像在「黑洞」中取物。」

工程量大,難度高,但陳曉光還是得往前走。反覆研究後,他和團隊估摸,在伊蚊雄蚊的某條染色體的「Y」片段上,存在某一個雄性決定因子「M」,「只要有它,白紋伊蚊的發育就往雄性發展」。

怎樣才能精準定位雄性決定因子「M」?

陳曉光與美國弗吉尼亞理工大學屠志堅教授團隊合作,研究出了一種創新方法,通過比較雌雄蚊蟲的基因組,來尋找「M」因子。

過程是這樣:科學家在完成了對雌雄蚊基因組海量測序後,將雌雄蚊的基因序列進行比對,若是比對結果為1,則是常染色體序列;結果為2是雌蚊的性染色體序列;結果為0就是科學家要尋找的雄蚊的Y染色體,因為雌蚊本身不存在Y染色體。

範圍逐步縮小。科學家的重點轉變為尋找雌雄不同的M基因。第一輪篩選,中美科學家發現有164個基因序列不同,再次篩選時,就發現了雄蚊中存在24個特有的基因。

實驗求證是一場「去偽存真」的遊戲。科學家對24個基因序列逐一甄別,最終揪出了最可疑的基因,並將之命名為Nix。

可Nix基因真是決定性別的關鍵嗎?

陳曉光團隊運用了最新的基因編輯技術,進行了Nix基因的功能驗證。他們發現,在敲除了Nix基因後,原本是雄性的白紋伊蚊出現了「雌性化」:「鬍鬚」觸角毛髮變得稀疏短小,交合刺缺失或畸形;而過量表達Nix基因後,蚊蟲後代絕大多數都變成了雄蚊,有些原本是雌性的白紋伊蚊會變得很「man」,觸角毛髮粗密,類似於女性長出了鬍鬚。

至此,關於白紋伊蚊的性別之謎終於解開了。

有人也許會不解:為何一定要尋找性別基因?

陳曉光解釋,只有雌蚊能夠吸血傳病,因而雄性不育蚊蟲釋放技術是蚊蟲控制的重要策略。尋找雄性決定基因,闡明蚊蟲性別機制是實現該策略的前提。在他的研究設想中,未來在實驗室中可以通過基因編輯技術,構建出高效表達雄性基因的白紋伊蚊品系,該品系的雄蚊釋放到野外與野生雌蚊交配,所產生的後代理論上都是雄蚊,因而不會吸血傳病;並且新型的基因驅動技術,會使該品系在野外環境中迅速擴散,預期子代的「男女」性別比為3比1、孫代為9比1,曾孫代不出意外將是81比1,幾代以後蚊蟲將會「斷子絕孫」。

目前,「不育雄蚊」計劃仍在實驗室研究階段,但未來的應用前景一片光明。

【記者】黃錦輝

【通訊員】黃瑤

【校對】馮志堅


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