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杀死疟原虫的新方法:居然是细菌!

2017年09月29日 16:47 来源于 财新网
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'武装”后更强大

  撰文 | 陈晓雪

  作为一种古老的疾病,疟疾已经有几千年的历史。即使是在21世纪的今天,包括非洲、东南亚、拉丁美洲以及中东地区的近百个国家和地区受到疟疾的影响。根据世界卫生组织2016年12月公布的最新估算数据,2015年全球有2.12亿起疟疾病例,42.9万人死亡。

中科院上海植生生态所等发现能在按蚊中进行持续跨代传播的新共生细菌,能高效驱动抗疟效应分子快速散播到整个蚊群中,使按蚊成为无效的疟疾媒介,实现从源头上阻断疟疾传播。图片由中科院上海植生生态所提供。
中科院上海植生生态所等发现能在按蚊中进行持续跨代传播的新共生细菌,能高效驱动抗疟效应分子快速散播到整个蚊群中,使按蚊成为无效的疟疾媒介,实现从源头上阻断疟疾传播。图片由中科院上海植生生态所提供。

  疟疾由一种叫做疟原虫的单细胞寄生引发,这些寄生虫通过受感染的雌性疟蚊(Anopheles)叮咬传至人类。因此,对疟蚊的控制被认为是预防疟疾的重要手段。目前,人们主要通过化学杀虫剂杀死疟蚊。但是,化学杀虫剂虽然见效快,但效果不持久,而且在经过多年使用后,蚊虫已产生了广泛的抗药性。随着分子生物学和基因工程技术的发展,通过对蚊子的遗传控制和共生微生物控制,使疟蚊失去传播疟疾的能力,成为人们研究的热点之一。

  最近,中科院上海植物生理生态研究所王四宝研究组与美国约翰霍普金斯大学的合作者首次确认了一种名叫沙雷氏菌属(Serratia)的新菌株AS1可以有效地杀死寄生在蚊子身上的疟原虫。这种细菌不仅能稳定地定殖在疟蚊中肠、雌蚊卵巢和雄蚊附腺,并且产生增殖,还可通过交配由雄蚊传递给雌蚊,也能通过雌蚊产卵传递给后代幼虫。此外,研究人员经过一年的努力,成功地通过基因工程构建出能同时分泌表达5个具有不同作用机制的抗疟基因的菌株,能够有效减少92-93%的疟原虫卵囊,抑制蚊子感染疟原虫。北京时间9月29日凌晨2时,《科学》(Science)在线发表了这一研究。

  “这篇Science文章从传播媒介入手,从传播阻断的角度入手,这是一种新型而有趣的策略,”同济大学医学院疟疾研究课题组组长张青锋教授评论说,“该研究不仅为人类从源头上阻止疟疾传播提供一个有应用前景的新方法,也为人类防控其它蚊媒传染病提供了新的思路。”

  美国德克萨斯大学医学分部病理学系助理教授Grant L. Hughes也对这一研究给予了肯定。“这项研究非常重要,因为它表明与蚊子肠道相关的细菌可以通过垂直和性传播的方式在蚊子群体之间传播。”Hughes说,以前有很多工作发现了能干扰蚊子体中病原体的蛋白质,“结合这些新的发现,意味着这种干预策略对于进一步研究控制疟疾来说是一种有效而有前景的方法”。

  有趣的是,能够杀死疟原虫的沙雷氏菌属的新菌株AS1是王四宝和同事从蚊子的卵巢中分离出来的,而人们一般认为蚊子的卵巢中不存在细菌。

  2012年加入中科院上海植物生理生态研究所之前,王四宝曾在约翰·霍普金斯大学公共卫生学院疟疾研究所研究蚊子肠道微生物与疟原虫的关系。他发现,疟原虫在进入蚊子的肠腔而未进入肠道细胞前是最薄弱的时候。“有一万个疟原虫通过吸血到蚊子的肠腔里面,最后一般是有5个左右能够成功地发育到进入肠道细胞的阶段,很多被杀死了”,王四宝介绍说。

  根据这个原理,王四宝认为,如果能够运用生物工程的方法对蚊子肠道细菌进行改良,使得它来表达一些能够杀死疟原虫的小肽或蛋白,就可以特异性地杀灭蚊子肠道里的疟原虫。

  如何将抗疟细菌引入到整个疟蚊种群?这是一个充满挑战的问题。在过去的很多文献报道中,很多昆虫可以将一些细菌、真菌通过产卵进行垂直传播。“如果我们能够得到一株细菌,它不仅能够在肠道里面稳定地定殖,同时能够随着蚊子的产卵进行垂直传播,那所有的问题都解决了。”王四宝说。

  2012年下半年,在解剖一只蚊子的卵巢时,王四宝突然发现显微镜下蚊子的卵巢的表面好像有东西在游动。他和同事大吃一惊。当他们把显微镜的倍数放大:原来是细菌!

  当然,发现细菌只是研究的开始。把这株沙雷氏菌属细菌AS1分离之后,通过糖水喂养蚊子,王四宝和同事发现,这个细菌能够稳定地定殖在肠道里,并且在蚊子吸血24小时后有200倍的增殖。同时,他们发现细菌能够突破肠道的屏障,转移到蚊子的血腔之中,从而定殖在蚊子卵巢里。“蚊子产卵的时候细菌就会附着在卵壳的表面,只要带沙雷氏菌属细菌AS1的蚊子把卵产在水沟,这个卵的表面携带的细菌就会在水体里面繁殖,其他的雌蚊把这个卵产在这个小水沟里面,它的下一代所有的幼虫都能够获得我们的这个细菌。”王四宝说。随后,他们又确认了这种细菌可以附着在雄蚊的附腺部位,“这样的话它通过交配,通过精液可以传递给雌蚊”。而当雄蚊和雌蚊交配后,下一代所有的幼虫和成虫都能够感染这个细菌,连续饲养三代也是同样的结果。

  为了增强AS1抗疟的效果,研究人员又选择了5种不同杀灭疟原虫机制的基因,通过基因工程使得针对疟原虫的小肽或抗体整合到细菌的染色体里并分泌表达。 “疟原虫要入侵肠道细胞,不是说什么地方都可以入侵,必须疟原虫表面有一个配体,这就好像是锁孔和钥匙的关系,配体必须要匹配蚊子肠道细胞表面的受体(锁孔),而我们的小肽就能够去跟这个锁孔结合,相当于堵住了锁孔,疟原虫就进不去了。”王四宝解释说。值得关注的是,这个用于分泌表达抗疟基因的系统由三个蛋白组成,组装成一个通道,包括一个叫做HasA的蛋白,而HasA蛋白有一个分泌的信号肽,这就使得融合的蛋白能够穿过细菌的细胞膜自由扩散,靶向疟原虫。

  “这是一个令人鼓舞的突破,” 密歇根州立大学微生物与分子遗传学系副教授奚志勇告诉《知识分子》。奚志勇也担任中山大学一密歇根州立大学热带病虫媒控制联合研究中心的主任,主要研究蚊子中沃尔巴克氏体(Wolbachia)与登革热病毒的互作关系。

  “长期以来,在实验室的条件下可成熟地通过蚊子基因改造或改变其携带的微生物来降低甚至阻断蚊子传播疾病(如疟原虫和登革病毒)的能力,但一直困扰于如何安全地让这种抗病性状在疾病流行区扩散出去来替换野外的传病蚊种。”奚志勇介绍说,“我们研究的共生菌沃尔巴克氏体可以通过操作蚊子生殖和雌蚊垂直传播来完成这步替换,王教授这次发现的沙雷氏菌则通过雌蚊生殖垂直传播、雄蚊交配平行传播、幼虫经口感染几个途径同步传播,故扩散的速度快。相比与我们的沃尔巴克氏体需要7代,沙雷氏菌能在一代内就完成扩散和种群替换,极大增加该技术在疾病突发时应用的实用性。”他期待未来沙雷氏菌技术能加快完成实验室阶段的工作,开启转化现场应用测试。

  不过,虽然实验室数据表明AS1可以在不同种疟蚊间进行传播,张青锋评论说,但是在野外蚊种中的传播效率、携带这种菌株的长期稳定性有待进一步探索。

  “但是无论如何,这个方法既然能降低疟蚊携带疟原虫卵囊的数量(即便暂时只是实验室数据),就应该具备了通过在野外蚊种中传播AS1, 从而减少人类感染疟疾几率的很大潜力,这是毋庸置疑的。”张青锋说。

  相关链接:

  S. Wang et al. Science357, 1399-1402(2017)

  http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aan5478

  《知识分子》是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想

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