综述：CRISPR基因驱动技术在蚊子种群控制方面的进展

CRISPR基因驱动通过打破传统遗传规律，可快速调控蚊媒种群数量或阻断病原体传播，其设计包括自主驱动、整合驱动及毒素-抗毒素系统等，但长期生态影响和抗性进化仍是挑战。

罗宾·拉班（Robyn Raban）| 安东尼·A·詹姆斯（Anthony A James）| 奥马尔·S·阿克巴里（Omar S Akbari）

美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校生物科学学院细胞与发育生物学系，圣地亚哥，加利福尼亚州

基于CRISPR的基因驱动（Gene Drive, GD）系统在减数分裂过程中会偏向特定等位基因的遗传，从而使转基因以超过孟德尔分离定律的速度传播。这一特性使得它们成为控制蚊媒疾病的强大工具。基因驱动技术可以被设计用来抑制蚊子种群，或者通过引入阻止病原体传播的性状来修改蚊子。最近的研究重点在于提高其进化稳定性，建模研究为预测种群动态提供了依据。本文重点介绍了最新的基因驱动技术进展，包括整体型基因驱动、等位基因驱动、结合修饰与抑制的系统，以及具有归巢功能的毒素-抗毒素设计等，这些进展扩展了可能的应用策略，并解决了早期基因驱动技术的一些局限性。现在可以将许多具有强病原体阻断活性的抗病原体效应蛋白与这些系统结合使用，当前的研究正在评估它们对基因多样性病原体的持久性。尽管仍存在一些挑战，如抗性进化、生态影响和长期稳定性问题，但基因驱动技术为减少疾病传播提供了有希望的方法，尤其是在传统干预措施难以实施的地区。

引言

基因驱动（Gene Drive, GD）能够偏向某些遗传元素的遗传，使其在目标种群中迅速传播。在传统的孟德尔遗传规律下，每个等位基因有50%的概率传递给后代，但基因驱动技术可以超越这一频率，使其在种群中持续存在，即使存在适应性成本。自然界中存在许多基因驱动的例子，如可移动元件、减数分裂驱动机制和“美狄亚”（Medea）元件，它们具有独特的遗传偏向机制。早期的基因驱动技术，包括“美狄亚”1、2、母体效应致死劣势[3]、工程化的易位[4]和合成性别扭曲因子[5]，都是受到这些自然系统的启发而开发的。基于核酸酶的基因驱动技术的发展，如转录激活因子样效应核酸酶和锌指核酸酶[6]，以及非簇状规律间隔短回文重复序列（CRISPR）归巢内切酶驱动[7, 8]，进一步扩展了基因驱动的能力。这些自然系统和开创性的工程努力为CRISPR时代的可编程基因组工程奠定了基础。

大多数现代的基于归巢功能的基因驱动（Homing-based Gene Drives, HGD）利用CRISPR生物学原理，其中Cas9基因编码的内切酶与引导RNA（gRNA）协同作用，在特定目标位点引入双链断裂，并通过同源定向修复（HDR）将自身及连接的基因拷贝到同源染色体上。这种偏向性的遗传方式导致后代继承两个基因驱动拷贝，而不是一个，从而随着时间的推移增加基因驱动在种群中的频率。基因驱动技术被用于种群抑制，旨在减少或消除目标种群。对于那些适合局部种群清除的物种（如疾病媒介、农业害虫、直接损害农产品的入侵物种、濒危物种或敏感栖息地），抑制驱动技术尤为有用。然而，也可以通过基因工程使能够传播病原体的物种无法传播病原体。这种方法称为种群修饰（Population Modification），可以增加与基因驱动一起遗传的有益基因或等位基因的频率，例如使目标生物体无法传播病原体的抗病原体基因。随着种群修饰驱动的传播，种群会转变为非媒介表型，而种群规模基本保持不变。种群修饰一直是昆虫管理的研究重点，并已通过CRISPR HGD技术在多种蚊子物种中实现。首个报道的基于CRISPR的蚊子基因驱动是在亚洲疟蚊An. stephensi中构建的[9]，这种蚊子是印度和巴基斯坦的主要媒介，最近也在非洲部分地区出现。此后，针对不同属的蚊子（Anopheles、Aedes和Culex）开发出了多种具有不同设计和功能的基因驱动技术。本文综述了最近在蚊子中应用的基因驱动技术，并讨论了它们对病原体传播的长期影响。

基因驱动设计概述

早期的CRISPR HGD设计预计具有广泛的传播能力，甚至可能在全球范围内传播。然而，基因驱动在种群中的传播和持久性受到其设计、目标物种、选择压力（如对驱动抗性的选择）、种群规模、驱动引起的适应性负担以及释放环境中的基因流动等因素的强烈影响[10, 11]。迄今为止在蚊子中开发的大多数基于CRISPR的HGD都是“自主型”系统，即不依赖于其他外部因素。

蚊子种群修饰驱动的最新进展

目前有许多下一代蚊子种群修饰驱动技术正在研发中。例如，整体型基因驱动（Integrated Gene Drive, IGD）通过使用天然启动子和调控元件，解决了合成转基因在种群中开发和释放时的潜在监管问题[39, 40, 41]。IGD可以在特定位点插入DNA序列，从而驱动内源性效应基因和Cas9的表达。

工程化抗病原体效应蛋白以实现种群修饰

种群修饰策略依赖于与基因驱动结合的抗病原体效应蛋白，这些效应蛋白被引入种群以阻止病原体传播。如果基因驱动或相关的抗病原体效应蛋白失效，那么这种方法可能无法发挥作用。已经采用了多种策略来开发抗病原体效应蛋白，包括使用RNA干扰（RNAi）[54, 55, 56, 57, 58, 59]、单链抗体[61, 62, 63, 64]和抗菌物质等。

未解决的问题和未来方向

基因驱动技术发展迅速，有望对影响某些最脆弱人群（尤其是五岁以下儿童）的疾病产生重大影响，这些儿童仍然是疟疾死亡的主要群体。然而，关于其在自然种群中的表现仍存在许多不确定性，包括基因驱动结构与野生种群中存在的广泛遗传变异之间的相互作用（参见[17]的综述）。

作者贡献声明

罗宾·拉班（Robyn Raban）：负责初稿撰写、审稿和编辑。 安东尼·A·詹姆斯（Anthony A James）：负责初稿撰写、审稿和编辑，以及资金筹集。 奥马尔·S·阿克巴里（Omar S Akbari）：负责初稿撰写、审稿和编辑，以及资金筹集。

利益冲突声明

OSA是Agragene公司和Synvect公司的创始人，并持有这两家公司的股权。这一安排已根据加利福尼亚大学圣地亚哥分校的利益冲突政策进行了审查和批准。所有其他作者均声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了美国国立卫生研究院（R01AI190001）授予OSA的资金支持，以及加利福尼亚大学欧文分校疟疾计划（UCIMI）、美国国立卫生研究院（R01AI170692）和一位匿名捐赠者给予AAJ的资金支持。AAJ是加利福尼亚大学欧文分校的Donald Bren教授。本文所表达的观点、意见和/或发现仅代表作者个人观点，不应被视为任何机构的官方立场或政策。