《Science》:美中科学家首次确定登革热蚊媒的雄性决定基因

      只有雌性蚊虫才可以吸血传病，但蚊虫的性别发生机制还是一个未解之谜。一个由美国弗吉尼亚理工大学屠志坚教授领导、我校公共卫生与热带医学学院陈晓光教授参与的研究团队，经过多年探索终于确定了登革热媒介—埃及伊蚊的雄性决定基因，这是世界上首次报道的蚊虫雄性决定基因，是昆虫性别决定领域的一项突破，该成果对于媒介蚊虫的遗传防制具有重要的理论价值和应用前景。

    论文5月21日在线发表在著名学术期刊《Science》上，链接地址：http://www.sciencemag.org/content/early/2015/05/20/science.aaa2850.full.pdf    

    中美科学家发现雄蚊决定基因，中央电视台新闻链接地址：http://news.siteapp.cntv.cn/?src=news.cntv.cn%2F2015%2F05%2F26%2FVIDE1432651854402899.shtml  

    5月28日，南方都市报也对该成果进行了采访报道，全文如下：

灭蚊能多高大上？让它生男不生女 美中科学家发现伊蚊“雄性决定基因”，成果发表在新一期《科学》杂志

去年广州乃至广东的登革热大流行，让人心有余悸之余，如何有效消灭白纹伊蚊这一祸害也备受关注。  

    去年广州乃至广东的登革热大流行，让人心有余悸之余，如何有效消灭白纹伊蚊这一祸害也备受关注。如果能从蚊子的“计生角度”出发，找到让其只生雄性后代或者让雄蚊“不孕不育”的方法，对其无疑是崩盘式打击。

    南都记者近日从南方医科大学获悉，该校公共卫生与热带医学院副院长陈晓光教授参加的由美国弗吉尼亚理工大学屠志坚教授领导的一项国际合作研究，通过对登革热媒介埃及伊蚊的海量基因测序和运用科学筛查方法，科学家们找到了伊蚊的雄性决定基因。这意味着，有可能用近似给蚊子绝育的方式解决这种繁衍能力超强、传播登革热与黄热病的病媒生物。5月21日，这一研究结果在线发表在著名学术期刊《科学》上。

    寻找昆虫的性别基因 像在1亿个“白”字里找“日”

    一直以来，科学家们都在查找昆虫的性别基因，以便对昆虫的种群多寡加以干预。但科学家们查找过果蝇、蜜蜂、按蚊、伊蚊的性别基因，发现这基本是个大海捞针的工程，收效甚微。

    陈晓光介绍，以按蚊为例，其所有染色体也就3对，其中一对为性染色体，这与人类相似(人类有23对染色体，其中1对是性染色体X、Y )。但即便如此，目前科学家们还没找到按蚊的性别决定关键基因。

    原因无他，只有3对染色体的蚊子，基本有着和人类同等海量的基因点位，而且蚊子的基因排列不像人类那么整齐、有规律，基本就是一个无数重复序列，在诸多重复序列中夹杂一小段不同的基因片段。寻找雄性决定基因就像“黑洞”中取物，通俗点说，基本就是在一面写有1亿个“白”字的墙上，用肉眼找出夹杂着的唯一“日”字。

    伊蚊的染色体就更加“变态”，性染色体外表看来完全无差异。科学家们反复研究，只能粗浅地发现原来在伊蚊雄蚊一个染色体的“Y”片段上有雄性决定因子“M”，会启动雄性性别发育。

    科学家们开始狂热地去追寻这个“M”因子，大多无疾而终。因为现有对人类基因测序高精尖的手段，碰上蚊子这种喜欢重复的基因序列，基本束手无策。

    为啥要和雄性基因过不去？

    因为它是“关键先生”

    热带病学家、基因科学家外加医学家、统计学家，之所以一股脑地寻找雄性基因，是因为这个基因在整垮蚊子这个种群的大战略中是至关重要的一环。

    那么问题来了，科学家怎么辨别雌雄蚊子呢？陈晓光表示，研究蚊子的专家一般凭肉眼就能分别蚊子雌雄，关键看蚊子触角。“触角上毛发又粗又长的，是雄性；又疏又短的，则是雌性。就好像人类男性的胡须又硬又长，而女性没有。”

    科学家们继续寻找“关键先生”M因子。传统的生物学方法行不通，美国弗吉尼亚理工大学屠志坚教授团队研发出一种比较高效的计算方法，才锁定N IX基因。

    怎么找出“关键先生”？找到计算方法“柳暗花明”

    第一步是寻找3对染色体中那条代表雄性的小Y染色体。对雌性蚊子和雄性蚊子进行海量的基因检测后，借助生物信息学技术发展，搞清了伊蚊的基因组，再通过基因测序确定雌蚊的基因片段，然后和雄蚊的基因组片段比对。

    用雌性片段除以雄性片段，结果为1(即高度相似或完全一致的)的染色体是常染色体，与蚊子性别无关；结果为2的染色体为X染色体，因为雌性有两个，雄性只有一个；结果为0的就是科学家们要找的Y染色体，因为雌蚊没有该片段而雄蚊有。

    换了思路，一片坦途，接下来就是在Y号染色体上找关键基因。第一轮初筛，中美科学家发现了164个基因点位的明显不同，“关键先生”就藏在这里面；接着再筛，发现24个雄性蚊子的特有基因，范围一下缩小了7倍。

    继续逐一甄别这24个染色体，嘿，这个名叫N IX的基因点位终于被揪出。这“家伙”只存在于雄蚊中，也不干别的活，就是起到关键的性别决定作用。

    你说它是就是啊，还得要验证———

    敲进NIX基因 雌蚊变成“女汉子”

    敲除NIX基因 雄蚊成了“娘娘腔”

    NIX真的就是要找的“关键先生”吗？研究团队做了很多有趣的鉴定验证工作，运用了目前微观到基因层面的敲进敲除技术。是的，现在的科技已经进步到可以微观地硬性敲入某段基因，或硬性地敲除某段基因，“通过对5000枚伊蚊虫卵(约1毫米大小)进行N IX基因的敲进敲出，孵化出来的成蚊很有意思。”陈晓光介绍，那些原本是雌性的伊蚊，在敲入N IX基因后，触角毛发变得又粗又长，在伊蚊领域内这就是很“m an”的女汉子；而被敲除N IX基因的雄蚊，触角毛发变得稀疏短小，可以说是雄蚊中的“娘娘腔”。伊蚊性征因为N IX介入，开始出现颠覆原性别的改变。

    到这个阶段，中美合作团队可以宣布找到伊蚊(埃及伊蚊)的雄性决定基因了。这是首次在蚊子中发现并验证“性别决定启动基因”的存在。屠志坚教授接受新华社记者采访时表示，现在还不确定加入N IX基因是否会导致蚊子完全变性。他猜测，N IX基因有可能适用于关系较近的蚊种，比如白纹伊蚊，这是在广东传染登革热的一种媒介。

    应用前景

    为“不育雄蚊计划”奠定理论基础

    上述研究为将来宏大的雄蚊“计划生育”奠定了坚实基础。只有雌蚊才会传播登革热与黄热病，因为雌蚊需要吸血利用其中的蛋白质等物质来产卵。而雄蚊靠吸食花蜜而不是吸血来汲取营养，不传染疾病。屠志坚基于此提出，可以通过操作N IX基因让埃及伊蚊雄多雌少，从而减少这种蚊子的数量，控制这种有害的入侵物种。

    初步设想是，通过基因修饰技术，使N IX高效表达，密切观察伊蚊的性别特异组织(精巢、卵巢和触角)的形态学异常以及生育和交配能力的改变，从中选出子代蚊子为雄性的重点培养、大量孵化，最终投放到伊蚊出没的地方和野生伊蚊交配、生活。

    “预期结果是，伊蚊交配后生的后代雄性多、雌性少。”陈晓光表示，蚊子生命周期在合适的气候条件下一般也就是一个月左右，目前预测运用上述技术后，能够生育的伊蚊其子代的男女性别比为3比1、孙代为9比1，曾孙代不出意外将是81比1。考虑到伊蚊有着近乎变态的繁衍能力，一年后再来观察，那时的雌性伊蚊将是少得不能再少的存在。

    “应该说，目前的基础研究还只是不育雄蚊计划万里长征第一步，上述设想目前还在愿景阶段。”陈晓光表示，但前景光明。

    释疑

    会否造成生物链变化？

    不会，其他蚊子还多着呢

    如果在人为干预下灭绝了伊蚊，会不会引发生态灾难或者生物链失衡？“这问题貌似很专业，其实个人认为一个城市三四万人感染登革热，那才是生态灾难。更何况目前已知的蚊子有3000多种，中国常见的就有300多种。消灭伊蚊，并不是消灭所有蚊子”。此外，代号“不育雄蚊计划”的投放地区为登革热高发的城市地区，农村的一半不感染登革病毒的伊蚊，其繁衍生息将不受干扰。因此，不会让伊蚊成为濒危动物，享受国家三级以上保护动物待遇。

    那么多雄蚊，在没有本种类雌蚊交配的情况下，会否和按蚊、库蚊搞在一起？这也是多虑了。伊蚊和库蚊、按蚊虽然都是蚊子，但是动物学上的“属”并不相同，搞不到一块去，所谓“风马牛不相及”。

    问题

    别看只有3对染色体，但基本有着和人类同等海量的基因点位，而且基因排列不像人类那么整齐、有规律，基本就是一个无数重复序列。请问，怎么找出哪一个基因能决定伊蚊性别？

    第1步

    找出Y染色体

    ●进行海量的基因检测，搞清伊蚊基因组；

    ●再通过基因测序确定雌蚊基因组片段；

    ●然后和雄蚊基因组片段比对

    用雌性片段除以雄性片段：

    ●结果为1(即高度相似或完全一致的)的是常染色体，与蚊子性别无关

    ●结果为2的染色体为X染色体，因为雌性有两个，雄性只有一个

    ●结果为0的就是要找的Y染色体，因为雌蚊没有该片段而雄蚊有

    第2步

    找出“关键先生”

    ●第一轮初筛，发现164个基因点位的明显不同

    ●接着再筛，发现24个雄蚊的特有基因

    ●继续逐一甄别这24个染色体，名叫N IX的基因点位被揪出

    敲入或敲掉NIX基因

    会发生什么

    ●原本是雌性的伊蚊，被敲入N IX基因后，触角毛发变得又粗又长

    ●原本是雄性的伊蚊，被敲除N IX基因后，触角毛发变得稀疏短小  

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