Η γενετική τροποποίηση εμποδίζει τα κουνούπια να μεταδίδουν την ελονοσία

Τα κουνούπια σκοτώνουν περισσότερους ανθρώπους κάθε χρόνο από οποιοδήποτε άλλο ζώο. Το 2023, τα έντομα που ρουφούν αίμα μόλυναν περίπου 263 εκατομμύρια ανθρώπους με ελονοσία, οδηγώντας σε σχεδόν 600.000 θανάτους, εκ των οποίων το 80% ήταν παιδιά.

Οι πρόσφατες προσπάθειες για την αναχαίτιση της μετάδοσης της ελονοσίας έχουν σταματήσει, καθώς τα κουνούπια έχουν αναπτύξει αντοχή στα εντομοκτόνα και τα παράσιτα που προκαλούν ελονοσία έχουν γίνει ανθεκτικά στα φάρμακα. Αυτά τα προβλήματα έχουν επιδεινωθεί από την πανδημία COVID-19, η οποία έχει περιπλέξει τις συνεχιζόμενες προσπάθειες ελέγχου της ελονοσίας.

Τώρα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins, το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ και το Πανεπιστήμιο του Σάο Πάολο έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο που μπλοκάρει γενετικά την ικανότητα των κουνουπιών να μεταδίδουν την ελονοσία.

Οι βιολόγοι Zhiqian Li και Ethan Beer του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, και οι Yuemei Dong και George Dimopoulos του Πανεπιστημίου Johns Hopkins, δημιούργησαν ένα σύστημα επεξεργασίας γονιδίων βασισμένο στο CRISPR, το οποίο τροποποιεί ένα μόνο μόριο στο σώμα ενός κουνουπιού — μια μικροσκοπική αλλά αποτελεσματική αλλαγή που σταματά τη μετάδοση του παρασίτου της ελονοσίας. Τα γενετικά τροποποιημένα κουνούπια μπορούν ακόμα να δαγκώσουν μολυσμένα άτομα και να κολλήσουν το παράσιτο από το αίμα τους, αλλά δεν μπορούν πλέον να το μεταδώσουν σε άλλους ανθρώπους. Το νέο σύστημα έχει σχεδιαστεί για να μεταδίδει γενετικά το χαρακτηριστικό της αντοχής στην ελονοσία μέχρι ολόκληροι πληθυσμοί αυτών των εντόμων να μην φέρουν πλέον το παράσιτο.

«Η αλλαγή ενός αμινοξέος σε ένα κουνούπι με ένα άλλο αμινοξύ που υπάρχει φυσικά και παρεμβαίνει στη μόλυνση από το παράσιτο της ελονοσίας — και η εξάπλωση αυτής της ευεργετικής μετάλλαξης σε όλο τον πληθυσμό των κουνουπιών — αποτελεί πραγματική ανακάλυψη», δήλωσε ο Bier, καθηγητής στο τμήμα κυτταρικής και αναπτυξιακής βιολογίας στη Σχολή Βιολογικών Επιστημών του UC San Diego. «Είναι δύσκολο να πιστέψει κανείς ότι μια τόσο μικρή αλλαγή θα μπορούσε να έχει τόσο δραματικό αποτέλεσμα».

Το νέο σύστημα χρησιμοποιεί το CRISPR-Cas9 ως «γενετικό ψαλίδι» και καθοδηγεί το RNA για να κάνει μια τομή σε μια ακριβή περιοχή του γονιδιώματος του κουνουπιού. Στη συνέχεια, αντικαθιστά ένα ανεπιθύμητο αμινοξύ που διευκολύνει τη μετάδοση της ελονοσίας με ένα ωφέλιμο που παρεμβαίνει στη διαδικασία.

Το σύστημα στοχεύει ένα γονίδιο που κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη γνωστή ως FREP1. Αυτή η πρωτεΐνη βοηθά τα κουνούπια να αναπτύσσονται και να τρέφονται με αίμα όταν τσιμπούν. Το νέο σύστημα αντικαθιστά το αμινοξύ L224 στο FREP1 με ένα διαφορετικό αλληλόμορφο, το Q224. Τα παράσιτα χρησιμοποιούν το L224 για να φτάσουν στους σιελογόνους αδένες του εντόμου, όπου προετοιμάζονται να μολύνουν έναν νέο ξενιστή.

Ο Δημόπουλος, καθηγητής στο Τμήμα Μοριακής Μικροβιολογίας και Ανοσολογίας και μέλος του Ινστιτούτου Έρευνας για την Ελονοσία της Σχολής Δημόσιας Υγείας Bloomberg του Πανεπιστημίου Johns Hopkins, και το εργαστήριό του εξέτασαν στελέχη κουνουπιών Anopheles stephensi, του κύριου φορέα της ελονοσίας στην Ασία. Διαπίστωσαν ότι η αντικατάσταση του L224 με Q224 εμπόδισε αποτελεσματικά δύο διαφορετικούς τύπους παρασίτων της ελονοσίας να εισέλθουν στους σιελογόνους αδένες, αποτρέποντας έτσι τη μόλυνση.

«Η ομορφιά αυτής της προσέγγισης έγκειται στο ότι χρησιμοποιούμε ένα φυσικώς απαντώμενο αλληλόμορφο ενός γονιδίου του κουνουπιού. Με μία ακριβή αλλαγή, το μετατρέπουμε σε μια ισχυρή ασπίδα που μπλοκάρει πολλαπλά είδη παρασίτου της ελονοσίας — και πιθανότατα σε διαφορετικούς πληθυσμούς και είδη κουνουπιών. Αυτό ανοίγει την πόρτα σε προσαρμόσιμες, πραγματικές στρατηγικές ελέγχου ασθενειών»,
δήλωσε ο Γιώργος Δημόπουλος.

Σε επακόλουθες δοκιμές, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ενώ η γενετική αλλαγή εμπόδισε το παράσιτο να μολύνει το σώμα, η ανάπτυξη και η αναπαραγωγή των κουνουπιών δεν επηρεάστηκαν. Τα κουνούπια με τη νέα έκδοση του Q224 ήταν εξίσου βιώσιμα με τα κουνούπια με το αρχικό αμινοξύ L224 - ένα σημαντικό επίτευγμα, δεδομένου ότι η πρωτεΐνη FREP1 παίζει σημαντικό ρόλο στη βιολογία των κουνουπιών, ανεξάρτητα από τον ρόλο της στη μετάδοση της ελονοσίας.

Παρόμοια με το σύστημα «γονιδιακής οδήγησης», οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μέθοδο που επιτρέπει στους απογόνους των κουνουπιών να κληρονομήσουν το αλληλόμορφο Q224 και να το διαδώσουν σε όλο τον πληθυσμό, σταματώντας έτσι τη μετάδοση των παρασίτων της ελονοσίας. Αυτό το νέο σύστημα «αλληλικής οδήγησης» ακολουθεί ένα παρόμοιο σύστημα που αναπτύχθηκε πρόσφατα στο εργαστήριο του Beer και το οποίο αντιστρέφει γενετικά την αντοχή των γεωργικών παρασίτων στα εντομοκτόνα.

«Σε αυτήν την προηγούμενη μελέτη, δημιουργήσαμε μια αυτοκαταστροφική κίνηση που επαναφέρει έναν πληθυσμό μυγών των φρούτων από την ανθεκτικότητα στα εντομοκτόνα πίσω στην ευαισθησία. Στη συνέχεια, αυτό το στοιχείο γενετικής κασέτας απλώς εξαφανίζεται, αφήνοντας μόνο έναν «άγριο» πληθυσμό», εξήγησε ο Bier. «Ένα παρόμοιο σύστημα-φάντασμα θα μπορούσε να μετατρέψει πληθυσμούς κουνουπιών ώστε να φέρουν την ανθεκτική στα παράσιτα παραλλαγή FREP1Q».

Παρόλο που οι ερευνητές έχουν δείξει ότι η αντικατάσταση του L224 με Q224 είναι αποτελεσματική, δεν κατανοούν ακόμη πλήρως γιατί αυτή η αλλαγή λειτουργεί τόσο αποτελεσματικά. Περαιτέρω μελέτες βρίσκονται σε εξέλιξη για να προσδιοριστεί με ακρίβεια πώς το αμινοξύ Q224 μπλοκάρει την οδό εισόδου του παρασίτου.

«Αυτή η σημαντική ανακάλυψη είναι αποτέλεσμα άψογης ομαδικής εργασίας και καινοτομίας σε επιστημονικά ιδρύματα», πρόσθεσε ο Δημόπουλος. «Μαζί, χρησιμοποιήσαμε τα γενετικά εργαλεία της φύσης για να μετατρέψουμε τα κουνούπια σε συμμάχους στην καταπολέμηση της ελονοσίας».

Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature.