蚊子，自古以來(lái)就是人類(lèi)的“宿敵”。蚊子叮咬不僅會(huì)引起紅腫瘙癢，它們也是瘧疾、登革熱等多種疾病的主要傳播者。這些疾病每年會(huì)在全世界造成超過(guò)70萬(wàn)人死亡。近年來(lái)，生物防治逐漸成為控制蚊媒疾病傳播的熱點(diǎn)，這其中利用共生細(xì)菌沃爾巴克氏菌讓蚊子“不孕不育”的方法極為有效。

近日，天津大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王澤方教授團(tuán)隊(duì)破解了科學(xué)家如何操縱細(xì)菌導(dǎo)致蚊子“不孕不育”的分子機(jī)制，對(duì)利用沃爾巴克氏菌及該策略中最為常見(jiàn)的胞質(zhì)不相容性(CI)防控蚊媒疾病和農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害具有重要意義。該研究論文發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)科學(xué)院院刊》上。

生物防控蚊媒疾病辦法多

“目前生物防治蚊蟲(chóng)的策略主要有：利用蚊子的天敵殺死幼蟲(chóng)或成蟲(chóng);利用不育技術(shù)控制蚊子的種群;利用蚊子的病原微生物作為控制策略將其消滅。”王澤方介紹，其中利用天敵的生物防控主要通過(guò)利用食蚊魚(yú)、肉食性弓形蟲(chóng)、中劍水蚤等對(duì)蚊子的幼蟲(chóng)或者成蟲(chóng)進(jìn)行捕食從而達(dá)到減少蚊子種群數(shù)量的目的。

隨著基因工程技術(shù)的進(jìn)展，科學(xué)家希望經(jīng)過(guò)遺傳學(xué)改造讓蚊子失去繁育能力，再把它們釋放到環(huán)境中去與自然界的蚊子生育后代，從而破壞蚊子種群結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少甚至消滅蚊子群體的目的?；蚴抢没蚓庉嫾夹g(shù)將抗病毒基因“植入”蚊子體內(nèi)，使其產(chǎn)生對(duì)蟲(chóng)媒病毒的抗性，從而降低蚊子傳播病毒的能力。

另外，目前比較常用的病原微生物控蚊策略，通過(guò)使用真菌和細(xì)菌實(shí)現(xiàn)控蚊的目的。其中利用共生細(xì)菌沃爾巴克氏菌的方法極為有效。“沃爾巴克氏菌是在自然界節(jié)肢動(dòng)物體內(nèi)廣泛存在的一種廣義上的共生菌。沃爾巴克氏菌感染能夠?qū)е滤拗鳟a(chǎn)生雌性化、孤雌生殖、殺雄以及胞質(zhì)不相容性等現(xiàn)象，進(jìn)而影響宿主的繁殖。”王澤方解釋道，如果雄性蚊子感染沃爾巴克氏菌，與沒(méi)有感染的雌蚊交配，就會(huì)出現(xiàn)生殖不親和，令胚胎死亡，無(wú)法傳宗接代。

自1967年沃爾巴克氏菌首次作為種群控制策略用于控制緬甸的致倦庫(kù)蚊以來(lái)，基于沃爾巴氏克菌的蚊子種群控制取得了重大進(jìn)展。比如今年在印度尼西亞日惹市的社區(qū)中釋放沃爾巴克氏菌感染的蚊子，使得該區(qū)域登革熱的發(fā)病率降低了77%。

破解細(xì)菌讓雌蚊絕育的機(jī)制

其實(shí)從1938年開(kāi)始到20世紀(jì)60年代，人們就已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某些昆蟲(chóng)來(lái)說(shuō)，來(lái)自一個(gè)地區(qū)的雄性無(wú)法與來(lái)自另一個(gè)地區(qū)的雌性產(chǎn)生后代。而來(lái)自同一地區(qū)的昆蟲(chóng)則可以正常繁殖。

20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象是由于昆蟲(chóng)被沃爾巴克氏菌感染，產(chǎn)生CI而導(dǎo)致的。利用沃爾巴克氏菌感染伊蚊，也可以誘導(dǎo)產(chǎn)生CI。但“胞質(zhì)不相容性因子(Cif)是如何工作的”這一問(wèn)題一直困擾著科研人員。

直到2017年，Cif的真面目才終于被人們發(fā)現(xiàn)。“這類(lèi)因子由兩個(gè)蛋白組成，分別被稱(chēng)為胞質(zhì)不相容性因子A(CifA)和B(CifB)，它們編碼在細(xì)菌基因組的一個(gè)類(lèi)似操縱子的結(jié)構(gòu)中。”王澤方介紹，人們發(fā)現(xiàn)，在雄性果蠅中同時(shí)表達(dá)這兩種因子，可以產(chǎn)生CI;在雌性果蠅中只表達(dá)CifA，可以避免CI。

為了搞清楚Cif如何工作，人們提出了多種不同的模型。主要的兩種模型為“宿主修飾模型”和“毒素—抗毒素模型”。其中，只有毒素—抗毒素模型明確CifA與CifB的結(jié)合是避免CI的關(guān)鍵。但Cif在CI的產(chǎn)生和拯救過(guò)程中的作用一直存在廣泛爭(zhēng)論。

王澤方團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究CifA與CifB因子的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)CifA與CifB相互結(jié)合后可形成典型的“三區(qū)域”結(jié)合界面，體外生化實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了“三區(qū)域”結(jié)合界面上的關(guān)鍵氨基酸殘基，如果讓這些關(guān)鍵氨基酸發(fā)生突變，可高效破壞CifA和CifB間相互作用。在果蠅體內(nèi)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)還進(jìn)一步確認(rèn)，如果破壞CifA和CifB間相互作用，導(dǎo)致CifA和CifB因子不能有效結(jié)合，CifA就會(huì)失去避免CI的能力。“這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)CifA和CifB之間的相互作用對(duì)于避免CI至關(guān)重要，與‘毒素—抗毒素模型’模型的預(yù)測(cè)相符合。”王澤方表示。

這一工作為在分子水平上理解CI奠定了基礎(chǔ)，對(duì)利用沃爾巴克氏菌和CI防控蚊媒疾病和農(nóng)業(yè)蟲(chóng)害具有重要意義。(陳 曦)

標(biāo)簽： 沃爾巴克氏菌 蚊子不孕不育 生物防控 蚊媒疾病