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用CRISPR Cas9基因编辑技术修改蚊子的视觉引导系统

来源:Magigen

CRISPR Cas9是一种非常棒的基因编辑工具。

埃及伊蚊Aedes aegypti利用黑暗视觉系统进行捕猎。

一组来自美国加利福尼亚大学的生物学家利用基因编辑工具CRISPR Cas9技术,删除了蚊子的两个感光受体,破坏了蚊子视觉瞄准宿主的能力,让人在埃及伊蚊的眼睛中有效地隐形。他们的研究成果发表在《Cell》杂志。

这是科学家首次将CRISPR基因编辑技术作为一种控制蚊子的工具。

没有参与这项研究的Thakre博士说,她认为这项如何控制蚊子视力的研究是“伟大的开端”。

埃及伊蚊为了寻找产卵所需的血液,每年用黄病毒感染数千万人,导致登革热、黄热病和寨卡病毒,对人类健康造成巨大伤害。

加利福尼亚大学博士后研究员和论文的主要作者Yinpeng Zhan说:“我们越能理解蚊子是如何感知人类,我们就越能以一种生态友好的方式控制蚊子。”

传播疟疾的按蚊在夜间捕食,而埃及伊蚊则在黎明和黄昏的阳光下捕食。该物种依靠一队感官来寻找血液。仅仅是一股二氧化碳的气息,一种附近有人或某物刚刚呼出的迹象,就会让蚊子乱飞。

加利福尼亚大学神经生物学家Craig Montell告诉Magigen:“这些蚊子能检测到我们皮肤中的一些有机线索,比如热、湿度和臭气。”但是如果没有合适的宿主,蚊子会直接飞到最近的目标:一个黑点。


1937年,科学家们观察到穿着深色衣服的人对埃及伊蚊特别有吸引力。但是蚊子通过视觉感知目标的分子机制目前是未知的。

许多关于蚊子视觉的实验都是在风洞中进行的,花费数万美元,成本很高。在之前的实验中,蚊子被放置在风洞中,并吸入一点二氧化碳,它们选择飞到一个黑点而不是一个白点。

Montell博士的实验室没有风洞,因此Zhan博士设计了一个便宜的装置,一个内有黑圈和白圈的笼子,成本不到100美元,并且得到了与风洞相同的结果。

2019年春天,Zhan博士在笼子里进行了现场测试。秋天的时候,华盛顿大学的生物学家Jeff Riffell和研究生Claire Rusch和博士后Diego Alonso San Alberto一起使用风洞进行了同样的实验,以复查原始结果。



利用CRISPR Cas9基因编辑技术编辑蚊子的视觉基因


Montell博士和Zhan博士认为,要清除蚊子通过视觉感知深色寻找人类宿主能力,蚊子眼睛中表达的五种感光蛋白中的一种可能是关键。

首先,他们决定敲除视紫红质蛋白Op1。Op1是蚊子复眼中表达最广泛的视觉蛋白,似乎是干扰蚊子视觉的最佳候选蛋白。

他们利用CRISPR-Cas9,通过同源定向修复,产生两个独立的op1等位基因。

op1R等位基因包括10bp的删除,和在编码残基72的序列后面插入DsRed(图1A)。

op1G突变的特征是8bp删除,和在残基82后插入GFP(图1A)。

他们产生了纯合系,并通过PCR(图S1A)和DNA测序证实了这一点。根据实时定量PCR,两个等位基因的op1 RNA显著减少(图1B)。

实验产生了Op1抗体,并确认Op1蛋白无法检测到(图1C)。

利用CRISPR Cas9基因编辑技术编辑蚊子的视觉基因

图1 利用CRISPR Cas9基因编辑技术编辑蚊子的视觉基因


Zhan博士用一种带有特殊针头的工具将突变基因注入数千个微小的蚊子卵中。

在这种小变种的蚊子长大后,Zhan博士用嘴控吸抽器将10只左右的雌性动物吸进试管。每一组动物,他屏住呼吸,走到笼子前,呼出一大口气,把雌性动物放了出来。

具有Op1突变体的蚊子的行为与野生型埃及伊蚊完全相同:呼出二氧化碳后,它们直接飞到笼子里的黑点。

Montell博士和Zhan博士再次尝试,这次敲除了Op2,一种密切相关的视紫红质。尽管如此,带Op2突变体蚊子的视力没有明显下降。

但是当研究人员将这两种蛋白质都剔除后,蚊子就漫无目的地四处飞来飞去,在白圈和黑圈之间没有表现出偏好。他们失去了寻找深色宿主的能力。


疑问:蚊子是完全看不见东西呢,还是只是看不见人?

为了回答这个问题,Montell博士和Zhan博士进行了一系列测试,以观察双突变体对光的反应。

首先,他们测试了双突变体蚊子是否会有趋光性。

接下来,他们将电极连接到双突变体蚊子的眼睛上,以测量眼睛显示的电压是否随着光线的变化而变化。

最后,他们将双突变体蚊子放置在旋转的圆柱体中,圆柱体上有垂直的黑白条纹,以观察昆虫是否会沿着移动条纹的方向行走。

双突变体蚊子通过了所有三个测试,尽管它们在最后两个测试中的反应比野生型弱。

蚊子没有瞎。“这是我的第一只转基因蚊子,”Zhan博士自豪地说,"我们有一个好的结果。”

这篇新论文可以为未来控制蚊子数量的策略提供信息。如果雌蚊看不到宿主,它们将很难找到卵发育所需的血液。”蚊子的数量将会崩溃,”Montell博士告诉Magigen。

研究人员还没有将双突变体蚊子暴露给宿主。鉴于蚊子的许多其他感官,视力受损究竟是如何影响蚊子以血液为食的能力的, 这要进一步研究观察。


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参考文献

Modify mosquito vision system with CRISPR cas9 gene editing technology

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