蚊子，自古以來就是人類的“宿敵”。蚊子叮咬不僅會引起紅腫瘙癢，它們也是瘧疾、登革熱等多種疾病的主要傳播者。這些疾病每年會在全世界造成超過70萬人死亡。近年來，生物防治逐漸成為控制蚊媒疾病傳播的熱點，這其中利用共生細(xì)菌沃爾巴克氏菌讓蚊子“不孕不育”的方法極為有效。

近日，天津大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王澤方教授團(tuán)隊破解了科學(xué)家如何操縱細(xì)菌導(dǎo)致蚊子“不孕不育”的分子機(jī)制，對利用沃爾巴克氏菌及該策略中最為常見的胞質(zhì)不相容性(CI)防控蚊媒疾病和農(nóng)業(yè)蟲害具有重要意義。該研究論文發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》上。

生物防控蚊媒疾病辦法多

“目前生物防治蚊蟲的策略主要有：利用蚊子的天敵殺死幼蟲或成蟲;利用不育技術(shù)控制蚊子的種群;利用蚊子的病原微生物作為控制策略將其消滅。”王澤方介紹，其中利用天敵的生物防控主要通過利用食蚊魚、肉食性弓形蟲、中劍水蚤等對蚊子的幼蟲或者成蟲進(jìn)行捕食從而達(dá)到減少蚊子種群數(shù)量的目的。

隨著基因工程技術(shù)的進(jìn)展，科學(xué)家希望經(jīng)過遺傳學(xué)改造讓蚊子失去繁育能力，再把它們釋放到環(huán)境中去與自然界的蚊子生育后代，從而破壞蚊子種群結(jié)構(gòu)，達(dá)到減少甚至消滅蚊子群體的目的。或是利用基因編輯技術(shù)將抗病毒基因“植入”蚊子體內(nèi)，使其產(chǎn)生對蟲媒病毒的抗性，從而降低蚊子傳播病毒的能力。

另外，目前比較常用的病原微生物控蚊策略，通過使用真菌和細(xì)菌實現(xiàn)控蚊的目的。其中利用共生細(xì)菌沃爾巴克氏菌的方法極為有效。“沃爾巴克氏菌是在自然界節(jié)肢動物體內(nèi)廣泛存在的一種廣義上的共生菌。沃爾巴克氏菌感染能夠?qū)е滤拗鳟a(chǎn)生雌性化、孤雌生殖、殺雄以及胞質(zhì)不相容性等現(xiàn)象，進(jìn)而影響宿主的繁殖。”王澤方解釋道，如果雄性蚊子感染沃爾巴克氏菌，與沒有感染的雌蚊交配，就會出現(xiàn)生殖不親和，令胚胎死亡，無法傳宗接代。

自1967年沃爾巴克氏菌首次作為種群控制策略用于控制緬甸的致倦庫蚊以來，基于沃爾巴氏克菌的蚊子種群控制取得了重大進(jìn)展。比如今年在印度尼西亞日惹市的社區(qū)中釋放沃爾巴克氏菌感染的蚊子，使得該區(qū)域登革熱的發(fā)病率降低了77%。

破解細(xì)菌讓雌蚊絕育的機(jī)制

其實從1938年開始到20世紀(jì)60年代，人們就已發(fā)現(xiàn)，對于某些昆蟲來說，來自一個地區(qū)的雄性無法與來自另一個地區(qū)的雌性產(chǎn)生后代。而來自同一地區(qū)的昆蟲則可以正常繁殖。

20世紀(jì)70年代初，科學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象是由于昆蟲被沃爾巴克氏菌感染，產(chǎn)生CI而導(dǎo)致的。利用沃爾巴克氏菌感染伊蚊，也可以誘導(dǎo)產(chǎn)生CI。但“胞質(zhì)不相容性因子(Cif)是如何工作的”這一問題一直困擾著科研人員。

直到2017年，Cif的真面目才終于被人們發(fā)現(xiàn)。“這類因子由兩個蛋白組成，分別被稱為胞質(zhì)不相容性因子A(CifA)和B(CifB)，它們編碼在細(xì)菌基因組的一個類似操縱子的結(jié)構(gòu)中。”王澤方介紹，人們發(fā)現(xiàn)，在雄性果蠅中同時表達(dá)這兩種因子，可以產(chǎn)生CI;在雌性果蠅中只表達(dá)CifA，可以避免CI。

為了搞清楚Cif如何工作，人們提出了多種不同的模型。主要的兩種模型為“宿主修飾模型”和“毒素—抗毒素模型”。其中，只有毒素—抗毒素模型明確CifA與CifB的結(jié)合是避免CI的關(guān)鍵。但Cif在CI的產(chǎn)生和拯救過程中的作用一直存在廣泛爭論。

王澤方團(tuán)隊通過研究CifA與CifB因子的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)CifA與CifB相互結(jié)合后可形成典型的“三區(qū)域”結(jié)合界面，體外生化實驗確認(rèn)了“三區(qū)域”結(jié)合界面上的關(guān)鍵氨基酸殘基，如果讓這些關(guān)鍵氨基酸發(fā)生突變，可高效破壞CifA和CifB間相互作用。在果蠅體內(nèi)進(jìn)行的實驗還進(jìn)一步確認(rèn)，如果破壞CifA和CifB間相互作用，導(dǎo)致CifA和CifB因子不能有效結(jié)合，CifA就會失去避免CI的能力。“這些實驗證實CifA和CifB之間的相互作用對于避免CI至關(guān)重要，與‘毒素—抗毒素模型’模型的預(yù)測相符合。”王澤方表示。

這一工作為在分子水平上理解CI奠定了基礎(chǔ)，對利用沃爾巴克氏菌和CI防控蚊媒疾病和農(nóng)業(yè)蟲害具有重要意義。(陳曦)