第295期

百「蚊」不如不見 基改滅蚊

近期,科學家透過基因改造,成功限制實驗室內蚊子樣本的繁衍。然而,這會是好事還是壞事?此篇將談論此實驗原理,以及探討未來影響。

百「蚊」不如不見 基改滅蚊

記者 李庭安 文  2018/09/30

你討厭蚊子,科學家也討厭蚊子。

蚊子除了半夜在耳邊嗡嗡叫、影響睡眠,犯下讓你癢得受不了的大罪,還有許多嚴重的疾病是藉由蚊子散播,變得一發不可收拾,例如:腦炎、登革熱,以及被列為世界三大危險疾病之一的「瘧疾」。

「瘧疾」是種寄生蟲疾病,感染對象包括人類和多種脊椎動物,而這種寄生蟲— 「瘧原蟲」—的散播,靠的就是「瘧蚊屬」當中,三十至四十種的蚊子。想要根除瘧疾,就得要向牠們的傳播媒介下手,科學家決定付諸行動好好「解決」一下這群讓人頭痛的小東西,這次主角就是瘧原蟲種類中最有名、最危險的「甘比亞瘧蚊(Anopheles gambiae)」。在今年九月,科學家Andrea Crisanti與其研究團隊於科學期刊《Nature》​發布論文,說明他們如何利用基因工程,成功的讓實驗室中的蚊子樣本在七至十一代後滅絕。

編輯基因 讓蚊子變「佛系」

簡單來說,科學家讓基因改造過的蚊子跟未改造過的交配,產下不叮人、也不生蛋,清心寡慾的「佛系」雌蚊子;而含有該改造基因的雄蚊子則不受影響,繼續跟別的野蚊子交配,造成蚊子繁殖數量越減越少,到最後整個族群滅絕。那麼,這群科學家到底是對蚊子的什麼基因動了手腳?

先來說說基因是什麼吧。基因就是對該生物的原始設定,對生物性狀展現和遺傳有著最直接的關係,像是決定蚊子長得像爸爸、媽媽還是隔壁老王,或是決定蚊子的性別等。不同基因有不同的控制項目,而科學家改變的就是決定蚊子性別的基因「doublesex」。

雌性?雄性?(圖片來源/李庭安製)

Doublesex 安能辨我是雄雌

為什麼會想到用doublesex基因呢?原來在那之前已有兩個方法來抑制蚊子繁殖,第一種是對雌蚊子的繁殖基因動手腳;第二種是在雄蚊子的Y染色體上安插一種核酸酶,在減數分裂的過程中撕碎X染色體,讓他們生不出雌蚊子。雖兩種方法似乎都可行,實際上卻存在一些執行上的問題。像運用第二種方法的話,性染色體的轉錄在減數分裂的過程中是完全關閉的,因此配子形成期間Y染色體上的核酸酶就無法進行作用,又如果蚊子自然地對基因轉殖發展出抗性,發生突變後又繼續繁衍,結果這兩種方法的效用都不夠有力。

突變產生的抗性,是基因轉殖面臨的最大挑戰。這時科學家想到,若選用功能或結構有限制的高度保守基因,就很可能阻止基因產生變體及抗性。於是他們將目光轉向基因「doublesex」。Doublesex對蚊子的兩性分化有著決定性影響,科學家使用基因編輯器CRISPR–Cas9切斷其中外顯子5(exon5)和內含子4(intron 4)序列的邊界,達成阻礙雌性功能性基因轉錄,但不阻礙雄性轉錄的結果。 

(a)doublesex基因中的序列,放大為雌性的基因序列。(b)六種物種的序列對比。(圖片來源/《​Nature》)

那麼是怎麼選擇出這種序列的呢?科學家對比其他六個物種的doublesex基因,發現此序列在不同物種中都是相同的。因此稱它為「高度保守」序列,代表他在doublesex中一定有非常重要並嚴格的功能約束,並有高遺傳性。高度保守基因倘若發生什麼突變,也會對生物個體產生致命性的影響,所以此方法的安定性顯得高很多。

實驗出來的結果,蚊子產下的後代性別比依然近1:1,截斷基因的表現型也符合孟德爾定律的1:2:1。但修改基因為表現型的個體,一半發育成正常雄性,一半卻發育成同時擁有雄性性徵的雌蚊,像是同時擁有雄蚊般的羽狀觸角及尾部反向抱握器(正常雄蚊的抱握器是向下,以便交配時抓住雌性),並和雄蚊子一樣無法吸血,身體內部也沒有雌性的生育器官,代表牠無法繁殖後代。除去擁有雙性表徵的「陰陽蚊」,其餘蚊子仍擁有正常的外表和繁殖能力,藉此繼續傳遞高遺傳率的doublesex修改基因,到最後,整個族群將面臨消滅。

雄(左)雌(右)蚊基因型的表現,最下排為實驗基因型的表現型,下方大圖為抱握器。(圖片來源/《Nature》​)

雖在實驗室中成功了,但野外畢竟擁有更多的環境變數及外部影響,如食物競爭、食物鏈等。因此科學家也於模擬野外環境的大型密閉空間中進行實驗,等待實際應用得出的結果。即使如此,成功對抗基因變數,壓抑蚊子繁殖,已可說是歷史性的成就。

基因改造技術 影響與討論

基因改造可以說是現在最熱門的技術之一,仍延伸出許多問題及不確定性,使用上的爭議更是少不了。如基因改造作物產生對啃食的昆蟲有害、對人類卻無影響的蛋白質,作物產量提升看似美好,但也可能造成非害蟲的死亡;又或基因改造食品引發食用者過敏、破壞生態平衡、違反自然法則等。基因改造就像把雙面刃,並且它的複雜性和未知變數。即使是意圖良善的改造,也很可能產生我們未考慮到的結果,造成重大的影響,這也是為什麼很多人反對基因改造技術的原因之一。

然而,基因改造也有很多優點,例如:農夫可以用更低的成本去種植作物、改變植物營養成分,又或是讓基改作物擁有更堅強的基因可以耐旱、耐寒。這對一些環境不適合作物、缺糧的國家來說是一大福音,也可能解決部分糧食危機,拯救許多人的性命。

基改作物「超級豆子(Super bean)」,耐旱,且比一般豆子產量多出六倍。(圖片來源/國際熱帶農業研究中心推特帳號CIAT_Africa

每個物種都有牠存在的原因、在自然中扮演的角色,不管是本身的功能,又或是牽制其他物種。即使在人類的思考角度是絕對有害的,仍有牠的重要性。此次更改瘧蚊基因來降低其繁殖,到最後目標,滅絕、消除一個物種這個舉動是正確的嗎?這會是值得人們去思考的問題,但以目前來說,瘧蚊所傳播的疾病的確帶走許多人的性命,尤其是在低開發中國家,很多人沒有能力去治療。

若此項實驗應用成功的話,對於降低瘧疾傳播將有相當益處,並且此次更改的是高度保守基因,避免了大多數人最擔心的原因,也就是蚊子產生抗體或是突變而導致難以收拾的狀況。雖然還要花上好幾年才看得到實驗應用的結果,以及其帶來的影響,但我們仍拭目以待,看看基因改造這部列車會帶領我們到什麼地方。

記者 李庭安
8點後盡量不要進食,如果可以我想要23點前睡覺。
編輯 陳希妍
Too old to cry, too young to die.     —《 變了好多》
記者 李庭安
編輯 陳希妍