iScience :首次在蜱虫中进行CRISPR-Cas9基因编辑

发布时间:2022-02-18 09:06:13
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蜱虫(Tick)是一种传播人兽共患病的重要媒介。作为严格的吸血性节肢动物,蜱几乎可以叮咬陆地上所有的动物,且吸血时间长、吸血量大、生活史复杂。这些特点使蜱携带了最广泛的病原体种类,包括病毒、细菌、真菌、寄生虫;传播40余种疾病,如莱姆病、森林脑炎、克里米亚-刚果出血热、发热伴减少综合征、立克次体病、无形体病、巴贝西虫病等,可导致死亡或慢性后遗症,严重影响生活质量。

莱姆病,是伯氏疏螺旋体感染所致的自然疫源性疾病,通常是由黑腿蜱(I. scapularis)作为媒介传播。仅仅在美国,每年就有超过4万例莱姆病病例报告,而实际感染人数可能要高出十倍。莱姆病会损害神经系统,导致严重后果,其中一期莱姆病可以通过抗生素治疗,但如果发展到二期、三期,抗生素将无济于事,对神经系统造成的损伤将无法挽回。

尽管蜱虫能够传播多种致病病原体,但对蜱虫的研究明显落后于蚊子等其他节肢动物,这在很大程度上是因为目前缺少用于蜱虫研究的可用的遗传和分子工具,例如至今仍没有在蜱虫中进行 CRISPR 基因编辑的报道。

近日,美国内华达大学的研究团队在 iScience 期刊发表了题为:Cas9-mediated gene editing in the black-legged tick, Ixodes scapularis, by embryo injection and ReMOT Control 的研究论文。

研究团队开发了一种新的胚胎注射方案,首次成功在黑腿蜱(I. scapularis)中进行了CRISPR-Cas9基因编辑。

这为蜱虫基因组研究提供了强大的工具,有助于我们了解这种独特的动物如何在环境中生存,它们如何与病原体相互作用,以及如何防止蜱虫将疾病传播给人类和牲畜。

CRISPR-Cas9 基因编辑技术的出现,彻底改变了对许多生物体的功能遗传学研究。该技术已成功应用于动植物、人类,以及蚊子和其他节肢动物疾病载体。但尚未在蜱虫中报道成功的基因编辑,因为科学家们认为这在技术上太难实现。蜱虫卵很特殊,卵内高压,还具有坚硬的绒毛膜,此外,蜱虫还会通过吉氏器(Gene’s organ)来分泌腊层包裹在卵外,是卵相互粘结在一起,这导致极难对其进行胚胎注射。

在这篇论文中,研究团队使用了两种方法对蜱虫进行基因编辑,一种是直接进行胚胎注射 CRISPR-Cas9 基因编辑系统,注射后卵的存活率大约只有10%。

另一种方法名为 ReMOT,研究团队首先对磁性蜱虫进行显微手术,切除吉氏器(Gene’s organ),从而使得蜱虫产的卵不再被蜡层包裹,苯扎氯铵和氯化钠处理这些卵,以去除绒毛膜并降低卵内压力。然后就可以更容易的向其注射 CRISPR-Cas9 基因编辑系统,注射后卵的存活率可高达100%。

通过这种方法对蜱虫急性基因编辑还存在另一个的挑战,就是我们对蜱虫的胚胎发育知之甚少,因此还需要进行相应的研究,以确定何时进行胚胎注射能够最大程度提高基因编辑效率。

总的来说,该研究通过直接胚胎注射和 ReMOT 这两种方式,首次成功对蜱虫进行了 CRISPR-Cas9 基因编辑。而且,ReMOT 是一种可在节肢动物中推广的劳动强度低的 CRISPR 基因编辑方法。这项研究将大大加速蜱虫和蜱虫相关分子生物学的研究,也为蜱虫传播疾病的研究提供了新的工具。

而在2021年11月17日,耶鲁大学医学院的研究人员在 Science 子刊 Science Translational Medicine 发表了题为:mRNA vaccination induces tick resistance and prevents transmission of the Lyme disease agent 的封面论文。

该研究开发了针对蜱虫的脂质纳米颗粒(LNP)递送的mRNA疫苗,该mRNA疫苗编码黑腿蜱唾液中的19种蛋白(19ISP),促使皮肤对蜱虫叮咬产生快速反应,限制了蜱虫吸食血液和感染宿主的时间,还会让宿主能够快速发现蜱虫叮咬,从而预防黑腿蜱传播的莱姆病。

当一只蚊子叮咬你时,会立刻感觉到痛痒,从而提醒你赶走蚊子,但蜱虫叮咬时往往感觉不到,那是因为蜱虫分泌了麻醉物质。

耶鲁大学医学院的 Erol Fikrig 团队与 mRNA 疫苗奠基人、宾夕法尼亚大学的 Drew Weissman 团队合作,对传播莱姆病的黑腿蜱进行了研究,黑腿蜱的唾液中含有多种类型的蛋白质,研究团队将注意力放在了其中19种蛋白(19ISP)上。用产生这些蛋白质的 mRNA 片段作为疫苗的基础。

与未接种 mRNA 疫苗的豚鼠相比,接种该疫苗的豚鼠被蜱虫叮咬的部位迅速发红,如果此时去除蜱虫,这些已接种的豚鼠都不会感染莱姆病,而有近50%的未接种豚鼠会感染。

当一个蜱虫叮咬而不被去除时,接种该疫苗的豚鼠都不会感染莱姆病,而60%的未接种豚鼠会感染。当有三个蜱虫叮咬而不被去除时,该疫苗对豚鼠的保护作用会减弱,但接种该疫苗的豚鼠身上附着的蜱虫无法积极进食,且脱落的更快。

研究团队表示,这种 mRNA 疫苗不仅会让免疫系统识别蜱虫,从而防止感染莱姆病。而且,该疫苗会让蜱虫叮咬的部位迅速发红发痒,让蜱虫叮咬变得向蚊子叮咬一样被迅速发现,从而进一步帮助在传播病原体前将其去除。

来源:生物谷