「遺伝子シールド」を内蔵した蚊がマラリアを阻止 - 感染率は93%低下

殺虫剤耐性の克服: 蚊の単一の遺伝子改変がどのようにして世代を超えて自己増殖し、生存を損なうことなくマラリア伝染を事実上排除するのか。

Nature 誌に最近発表された研究で、科学者チームは、フィブリノーゲン関連タンパク質 1 (FREP1) のグルタミン 224 (Q224) 対立遺伝子が、ハマダラカ (Anopheles stephensi) のマラリア原虫感染に対する耐性をもたらすかどうかを調べ、この対立遺伝子に関連する生存コストを推定し、この防御突然変異を個体群全体に広めるための対立遺伝子ドライブ システムをテストしました。

前提条件

2023年には約60万人がマラリアで亡くなり、そのほとんどはサハラ以南のアフリカと南アジアの子どもたちです。蚊帳、殺虫剤、抗マラリア薬といった従来のマラリア対策は、蚊や寄生虫の耐性化により効果が薄れつつあります。有益な遺伝子を蚊の個体群に拡散させる遺伝子ドライブ技術は、有望かつ持続可能な解決策となります。

FREP1タンパク質は寄生虫が蚊の中腸を通過するのを助けるが、天然変異体Q224は蚊の生物学的機能を損なうことなく感染を防ぐことができる。この内因性アレルを安全に分布させることで、蚊の生存能力を維持しながらマラリアの伝播を抑制できるかどうかを検証することが目的であった。

研究について

CRISPR/Cas9を用いて、FREP1タンパク質の224番目のアミノ酸のみが異なる2種類のハマダラカ（Anopheles stephensi）株を作製した。野生型はロイシン（L224）を、潜在的に防御能を持つ株はグルタミン（Q224）をそれぞれ有する。ガイドRNAはコドンの126bp上流のイントロン領域を標的とし、蛍光標識（GFPまたはRFP）の挿入による相同組換えを可能にした。

適応度は、翼の長さ、繁殖力、卵の孵化率、蛹化、成虫の羽化、および寿命（カプラン・マイヤー生存分析）によって評価されました。

媒介生物の能力は、唾液腺におけるオーシストおよびスポロゾイトの数を用いて、Plasmodium falciparum（ヒト）および Plasmodium berghei（げっ歯類）寄生虫の標準的な膜摂食法を使用して判定されました。

アレルドライブシステムには、vasaプロモーターの制御下にあるL224に対するgRNAとCas9を含むカセットが含まれていました。アレル頻度は、マルチサイクル実験（10世代）において蛍光タグを用いてモニタリングされました。ジェノタイピングはPCR、サンガーシーケンシング、およびNGSを用いて実施しました。ベイズモデリングにより、実験室内での自由交配におけるアレル変換、適応度コスト、および動態を推定しました。

結果

FREP1Q224アレルは生存率に有意な低下をもたらさなかった。翅長、繁殖力、孵化、蛹化、成虫の羽化は、FREP1L224対照群と全く同じであった。雄のサイズと寿命のわずかな差は、競争力に影響を与えなかった。処女期のFREP1Q224雌は対照群と同程度に生存し、吸血後の雌は寿命のわずかな減少を示したのみであった。

チャレンジ実験により、ホモ接合体では顕著な保護が明らかになりました。

• 低濃度のファルシファラム熱帯マラリア原虫配偶子細胞（0.08%）の場合：
  • FREP1Q224 では感染率が 80% から約 30% に低下しました。
  • 平均オーシスト数: 3～0。
  • 唾液腺内のスポロゾイト数: >4000 ～ 0。
• 高配偶子血症（0.15%）の場合：
  • 平均オーシスト数: 約 32 ～ 10 個未満
  • スポロゾイトも劇的に減少しました。
• P. bergheiの場合:
  • 平均オーシスト数：43～25個
  • スポロゾイト: 約 19,000 ～ 11,000 個。
• ヘテロ接合体（FREP1L224/Q224）は保護されませんでした。

遺伝子ドライブの効率

• 対合交配では、Cas9 + gRNA L224 は FREP1L224 アレルの 50 ～ 86% を FREP1Q224 に変換しました。
• 母親の Cas9 では頻度はより高くなりました。
• 第 2 世代では、保護アレルの頻度は 93% に達しました。
• NHEJ 修復経路エラーの発生率は低く (0～12%)、通常は損傷を引き起こします。
• ドナー：レシピエント比が 1：3 の細胞集団では、FREP1Q224 の頻度は 10 世代にわたって 25% から 90% 以上に増加しました。
• NHEJ アレルの頻度は 5.4% から 0.5% 未満に減少しました。

ベイジアンモデリングは、高い変換率、安定した突然変異の低い頻度、致死的な不妊モザイク効果の仮説を支持し、母親の Cas9 遺伝子型を持つ WT ホモ接合体は体細胞突然変異を起こし、生存率が低下することを示しました。

その後の世代では、熱帯熱マラリア原虫のオーシストのほぼ完全な抑制（中央値 0 ～ 5.5）が示され、個体群が寄生虫の伝播に対してほぼ耐性を持つようになったことが確認されました。

保護対立遺伝子には隠れた利点や副作用はなく、ドライブによって広まりました。

結論

研究により、FREP1タンパク質のアミノ酸1個を置き換え、遺伝子ドライブを用いてその遺伝を変化させることで、蚊の生存能力を損なうことなく、ハマダラカ（Anopheles stephensi）をヒトおよびげっ歯類のマラリアに対して実質的に免疫にすることができることが判明した。

このアプローチは、耐性によって効果が低下する既存の対策（蚊帳、殺虫剤、薬剤）を補完するものです。このようなシステムは、殺虫剤への感受性を回復させたり、他の防御遺伝子を導入したりするためにも使用できます。

この技術を実装するには、厳格な環境、倫理、ガバナンスの枠組み、および普及を制御するシステムが必要です。