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【南方+】新知·广东科技奖|“虎蚊克星”斗蚊17年: 没有一只蚊能逃过他的眼睛

时间:2019-03-29 22:09:45  来源:南方+   编辑:张淼  作者:  点击: 次

历经17载,广州科学家完成了白纹伊蚊全基因组序列测序,并找到其与抗药、免疫、性别相关的关键基因,为精准消灭蚊虫提供了科学依据。27日,由www.4155.com|美高梅手机版|mg4155电子游戏官网公共卫生www.4155.com陈晓光教授领衔的重要媒介蚊虫防制的关键科学技术获得广东省科学技术进步一等奖。

说明: 陈晓光。受访者供图陈晓光。受访者供图

在业界,陈晓光被誉为虎蚊克星,有双能瞬间识别雄雌蚊虫的火眼金睛没有一只蚊虫能逃过我的眼睛

事实上,陈晓光对白纹伊蚊的了解不限于蚊子表面,而是深入到基因层次。目前,他与团队的一系列研究成果已走出实验室,不仅被转化为新型、高效、实用、环保的蚊虫监测和控制技术和产品,而且被政府、疾控部门、有害生物从业人员广泛采用,成为了防控蚊虫的新办法。

蚊虫基因有多庞大?约为人类的2/3

蚊虫的引人厌程度不必多说。更可恶的是,它是一种重要的媒介昆虫,以白纹伊蚊为例,能传播登革热、寨卡病毒病、基孔肯雅热、黄热病等重要传染病。

白纹伊蚊的祖籍是在亚洲,我国最早在《西湖志》上有记载:湖中多蚊,有豹脚者尤毒……”,由于其身具白环形似老虎,而且咬人吸血非常凶猛,因此被称为亚洲虎蚊。目前,白纹伊蚊是世界上扩散性最强的100种入侵生物之一,短短40年间已从其起源地东亚,扩散到了除南极洲以外的其他地区。

虎蚊危害大。世界上科学家一直尝试从基因角度去找到它迅速扩散和传播疾病的规律,陈晓光就是其中之一。

2002年,陈晓光参加一次国际学术会议时,得到启发:能否通过改造蚊虫基因,来控制白纹伊蚊或使其不吸血传病?

陈晓光回国后,就开始组团队,一门心思扑在蚊虫基因的研究上。他设计了研究思路:改造基因的第一步是认识基因,需将白纹伊蚊的基因组挨个查看。可是,白纹伊蚊的基因组非常大,据初步估算将近2GB1GB等于1024MB),约为人类的2/3,是迄今已知最大的蚊虫基因组。

说明: “与蚊为伍”的陈晓光。受访者供图与蚊为伍的陈晓光。受访者供图

不仅数量大,而且白纹伊蚊基因组很复杂,杂合度高并具有非常多的重复序列。

怎么办?一直以来,这两块硬骨头是科学家的心病许多研究难有突破,就是绕不开这两个瓶颈。陈晓光说。

万变不离其宗。陈晓光说,白纹伊蚊不是从石头里蹦出来,若是能通过近亲交配,繁育后代,则可能获得杂合度低、比较纯正的基因组。

在www.4155.com|美高梅手机版|mg4155电子游戏官网热带病研究所,有1981年从佛山被搬迁过来的白纹伊蚊。陈晓光团队从一只白纹伊蚊雌蚊出发,对其后代进行了长期系统艰难的近亲繁殖。经过十几代的培育,终于从一只蚊蛹中提取到了杂合度极低的基因组DNA并完成了测序。这一近亲繁殖品系的培育,就耗费了1年多的时间。陈晓光说。

难题逐个攻破。陈晓光团队又通过提高测序深度、增加测序片断长度等系列技术手段,解决了重复序列的组装难题,让每一个重复序列都能找准自己的位置,避免走错门、坐错位

通过提纯延深等新方法,陈晓光团队终于打开了白纹伊蚊神秘的基因之门。

设立第三者,破坏家庭关系

将白纹伊蚊的基因测序、组装、注释完毕后,陈晓光将研究推入了快车道。

在过去,科学家不重视miRNA,认为它用处不大,但2000年后,基础研究的发展提供一种新思路:这不起眼的小玩意儿在细胞凋亡、癌症发生、胚胎发育、病原体感染中有关键作用。

这是一种全新的基因表达调控机制。陈晓光解释,在机体内,miRNAmRNA“结对子,引起靶基因的降解或抑制它的表达,实现调控基因表达的目的,这一过程就好像是组建家庭,男女双方的行为习惯,会影响对方的决策,把控家庭整体走向。

miRNA一点也不专一,喜欢玩暧昧有时是一个miRNA调控多个基因表达,有时是数个miRNA精细分工,共同作用于某个基因的表达。陈晓光说。

说明: 陈晓光与团队观察实验结果。受访者供图陈晓光与团队观察实验结果。受访者供图

其实,昆虫类的miRNA一开始是以果蝇为基础开展的,科学家发现果蝇的不同发育阶段有110种不同miRNA表达。于是,陈晓光猜想,白纹伊蚊存在miRNA吗?若有,它的构成如何?从虫卵到成蚊,在不同阶段它会否有不同的表达特征?有没有特殊的功能作用?

答案还是要从实验中寻找。

陈晓光团队运用了高通量的测序技术,对白纹伊蚊不同发育阶段(卵、幼虫、蛹、成蚊)的小RNA样本进行深度测序,发现在幼虫阶段的白纹伊蚊,miRNA存在特异性表达,提示有特殊性的功能。

眼尖儿的团队不放过这一个细节,并在思考:如果敲除了miRNA,会否影响白纹伊蚊相应的基因表达,蚊虫的成长轨迹会发生变化吗?

陈晓光团队带着疑问开始了实验求证。结果发现,幼虫阶段的一个miRMA对幼虫的生长发育有重要影响,如将其去除,则幼虫很快死亡。。

同时,研究团队还发现,白纹伊蚊感染登革病毒后,某些miRNA 的表达谱出现异常,进一步的功能分析揭示这些miRNA在蚊虫对抗病毒的感染中起重要作用。

灵机一动。陈晓光意识到,如果找来一个第三者,阻止小RNA与靶基因发生关系,蚊虫的繁殖与病毒传播可能就不会一帆风顺。

这些研究成果为防控白纹伊蚊及其传染病提供了新思路,为研发新型杀虫剂和抗病毒药物提供了新靶标。

嗅觉系统能识别朋友与敌人

不少人会有疑惑:为何夜晚乌漆抹黑中,蚊子还能精准定位找到你?

答案是气味。

白纹伊蚊的生存与繁殖,其嗅觉系统起重要作用。陈晓光解释,蚊虫的嗅觉系统主要是嗅觉结合蛋白与嗅觉神经元上的受体,其中前者是启动嗅觉的钥匙,后者是嗅觉产生的门户,两者相互协调,为蚊虫寻找食物、吸血宿主和产卵地、识别朋友敌人有关键作用。

当外界气味分子进入蚊虫的鼻子”--触角时, 气味分子会搭上一辆名为嗅觉结合蛋白的公车,抵达终点站嗅觉神经元,与嗅觉受体特异结合,改变神经元细胞膜的离子通道,产生细胞膜内外的电压变化。蚊子的中枢神经系统通过感知和分析不同气味引起的电压变化谱,就会确定下一步行动计划,选择规避或者是前往猎食

夏天时,人身上的体味与汗味更重,因此更易吸引蚊虫的光临

一直以来,科学家对白纹伊蚊的嗅觉结合蛋白和嗅觉受体了解得很有限。在完成庞大的基因组测序、组装、注释后,陈晓光团队开始探究白纹伊蚊的嗅觉系统和功能机制。

猜想、论证、再猜想、再论证……科学实验是一场猜想与论证的循环,直到找出最终结果。通过对不同生物基因组的大数据分析, 陈晓光寻找到虎蚊体内可能与嗅觉相关的受体基因,将其克隆并表达在细胞表面。随后,陈晓光在培养基中使用气味分子引诱它,若是能打开细胞膜上的钠离子通道,则初步证明是有气味识别功能的嗅觉受体。

论证还需在动物上进行。在昆虫界,果蝇是一种功能强大的模式生物,科学家对其细胞、基因的功能作用都已研究透彻。陈晓光通过转基因技术,将白纹伊蚊的受体基因植入到已腾空的果蝇嗅觉神经元中,看其是否仍能识别气味分子,若可以,则进一步证明其是嗅觉受体。

我们通过寻找有识别气味分子功能的嗅觉受体,并阐明作用机制,为我们研制开发有应用价值的引诱剂和趋避剂提供技术平台。陈晓光道出研究目的:嗅觉受体的研究具有非常广阔的应用前景。

陈晓光拿出了一摞摞的研究成果,就白纹伊蚊而言,涉及杀虫剂抗性、滞育、性别决定、免疫和嗅觉的基因也与其他的媒介蚊虫有很大的不同。其中,团队尤其关注的是滞育基因。

什么是滞育?通俗点说,就是白纹伊蚊在遭遇到恶劣气候和环境条件如不适宜生长的气温时,这些基因就能自动让蚊卵进入到类似冬眠的停滞发育状态。而待到条件适宜时,蚊卵又能复苏,恢复生长发育成成蚊。

白纹伊蚊也正是凭借着这一特性,在短短40年扩散到了几乎整个地球。陈晓光说。

陈晓光团队通过长期研究,摸清了广州地区白纹伊蚊的滞育规律,发现其解除滞育的时间在2月底3月初,因此建议把每年的爱国卫生月由4月提前到3月,可以更高效率地控制越冬蚊。

敲除蚊子性别基因致阳盛阴衰

查找昆虫的性别基因,是不少科学家研究的课题,然而,在果蝇、蜜蜂和按蚊身上,科学家发现,这一趟寻找之旅远比他们想象得要艰难。

更遑论是拥有海量基因和繁杂重复序列的白纹伊蚊了。陈晓光形容:寻找雄性决定基因就好像在黑洞中取物。

工程量大,难度高,但陈晓光还是得往前走。反复研究后,他和团队估摸,在伊蚊雄蚊的某条染色体的“Y”片段上,存在某一个雄性决定因子“M”只要有它,白纹伊蚊的发育就往雄性发展

怎样才能精准定位雄性决定因子“M”?

陈晓光与美国弗吉尼亚理工大学屠志坚教授团队合作,研究出了一种创新方法,通过比较雌雄蚊虫的基因组,来寻找“M”因子。

过程是这样:科学家在完成了对雌雄蚊基因组海量测序后,将雌雄蚊的基因序列进行比对,若是比对结果为1,则是常染色体序列;结果为2是雌蚊的性染色体序列;结果为0就是科学家要寻找的雄蚊的Y染色体,因为雌蚊本身不存在Y染色体。

范围逐步缩小。科学家的重点转变为寻找雌雄不同的M基因。第一轮筛选,中美科学家发现有164个基因序列不同,再次筛选时,就发现了雄蚊中存在24个特有的基因。

实验求证是一场去伪存真的游戏。科学家对24个基因序列逐一甄别,最终揪出了最可疑的基因,并将之命名为Nix

Nix基因真是决定性别的关键吗?

陈晓光团队运用了最新的基因编辑技术,进行了Nix基因的功能验证。他们发现,在敲除了Nix基因后,原本是雄性的白纹伊蚊出现了雌性化胡须触角毛发变得稀疏短小,交合刺缺失或畸形;而过量表达Nix基因后,蚊虫后代绝大多数都变成了雄蚊,有些原本是雌性的白纹伊蚊会变得很“man”,触角毛发粗密,类似于女性长出了胡须。

至此,关于白纹伊蚊的性别之谜终于解开了。

有人也许会不解:为何一定要寻找性别基因?

陈晓光解释,只有雌蚊能够吸血传病,因而雄性不育蚊虫释放技术是蚊虫控制的重要策略。寻找雄性决定基因,阐明蚊虫性别机制是实现该策略的前提。在他的研究设想中,未来在实验室中可以通过基因编辑技术,构建出高效表达雄性基因的白纹伊蚊品系,该品系的雄蚊释放到野外与野生雌蚊交配,所产生的后代理论上都是雄蚊,因而不会吸血传病;并且新型的基因驱动技术,会使该品系在野外环境中迅速扩散,预期子代的男女性别比为31、孙代为91,曾孙代不出意外将是811,几代以后蚊虫将会断子绝孙

目前,不育雄蚊计划仍在实验室研究阶段,但未来的应用前景一片光明。

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