SAT阅读背景知识：如何消灭蚊子？“基因驱动”黑科技有效果！

SAT的用卷规律已被TD SAT教研组破解，想知道未来SAT阅读的文章考哪些话题和文章么？快看我们为大家准备的一篇自然科学干货文，提前了解这些重点话题的背景知识十分重要，特别是对于即将参加今年SAT的同学来说价值非常大哦~ 在非洲，疟疾、登革热等严重传染病一直无法得到根除。每年都有几十万人仅仅因为被蚊子叮咬而死去，其中有很多是幼童，令人痛惜。近年来，科学界的基因排序能力增加，生物学家又新发明了一种叫“基因驱动”技术，并在实验室初步取得了成功。非洲的疾控战争终于看到了一线胜利的曙光。

老难题

疟疾是一种非常可怕的传染病。先前，在南欧和美国南部的几个州，也流行过疟疾。好在这几个地方的感染总人数相对较少，蚊子活动地点距人类定居点较远，所以现在已经基本消灭了疟疾。但非洲就无法消灭疟疾。时至今日，非洲每年有约两亿例感染疟疾。每年全球约有四五十万人死于疟疾，其中90%死亡发生在非洲。 [caption id="attachment_42265" align="aligncenter" width="400"]

冈比亚蚊在非洲分布情况[/caption] 其实早在20世纪初，一位意大利医生和英国军医，就发现了，疟疾是由一种叫疟原虫的寄生虫引起的。而疟原虫是通过一大类叫疟蚊（Anopheles，也叫“按蚊”）的蚊子传播的。自此以后一个多世纪，人们就一直研究疟蚊，除了疫苗、药物等常规方法外，还想出了不少办法。比如，大规模破坏蚊子栖息地、使用涂有驱蚊药的蚊帐、大片喷洒杀蚊剂等。但这些方法都治标不治本，无法根除疟疾，且不能一劳永逸，且需要在设施方面持续投入。近年来发明的“基因驱动”技术，终于给人们带来了希望。

新希望

近几年，科学家们成功确定了几种疟蚊的基因组序列。确定基因组序列后，就可以搞清楚蚊子身上的哪些基因是干什么用的：到底是什么基因使得这些按蚊能够在人类居住区定居存活？它们的繁殖机制又是怎么样的？是什么基因导致它们自己会被疟原虫感染（在把疟疾传给人类之前）？又是什么基因决定疟蚊的产卵行为？用学术一点的话说，就是搞清楚哪些基因分别决定了疟蚊的哪些“性状”（traits）？

搞清楚以上问题后，再借助一种新发明的叫“基因驱动”（gene drive）技术，有针对性地植入对应的基因片段，就有可能实现从源头上彻底消灭按蚊，让疟疾在非洲消失。 “基因驱动”是直译，其实gene drive，本来只是指某些基因片段（gene element）。这些基因片段极其自私，能够确保自己一定被遗传给后代。遗传科学家们通过把这一类基因片段（gene drive）人工植入到生物体内，来绕过孟德尔遗传定律、干预遗传。后来，人们又把这整个机制、技术和方法，也叫做gene drive。那么，“基因驱动”究竟是怎样干预和操控遗传的呢？

破定律

本来，根据孟德尔定律，来自父母的任何一个染色体（即等位基因），传给下一代的概率都是50%。基因片段只能植入到成对染色体中的其中一条上，所以即使成功植入某基因片段，该基因片段传给下一代的概率，仍然是50%。经过几代遗传之后，科学家们植入的基因片段也就被自然遗传规律所稀释和淹没了。所以之前科学家们虽然早就可以在蚊子体内DNA植入基因片段，但是并不能有效干预遗传。

科学家们发现了一些极其自私的基因片段（gene drive）后，又发现了Cas9酶（属于“归巢核酸内切酶”）和CRISPR（一种RNA分子片段），终于往前迈了一大步。这是因为，现在，科学家手里有了三样武器。

1、科学家想传播的基因片段 2、可以剪切DNA的Cas9酶 3、可以帮Cas9酶找到应该剪切DNA的哪个地方的CRISPR

把以上三样东西都植入蚊子的DNA中（科学家想传播的基因片段只能植入成对染色体中的一条），然后进行受精。在受精过程中，CRISPR会引导Cas9酶把没有被植入基因片段的那条染色体剪切掉一段，然后生物的细胞自动修复机制会自动从另一个染色体复制科学家想传播的基因片段，填补上被剪切的片段所留下的空白。在这一个过程完成后，两条成对染色体就都包含科学家想传播的基因片段了。这样，科学家想传播的基因片段被遗传给下一代的概率，就达到了100%。

三大招

过去近百年，科学家们都拿疟疾没办法。现在，掌握了“基因驱动”这种黑科技，科学家们想好好报复一下蚊子。目前，科学家们想了三个招数。也就是说，目前对基因驱动技术的具体运用，有以下三种设想。这三个设想，在实验室层面，取得了不同程度的成功。

第一种招数（特别狠）：让母蚊子全都不能怀孕

首先，找到某种让母蚊子不孕不育的基因片段。然后，在实验室中，以这种不孕不育基因片段作为gene dirve，植入一些蚊子体内。接着，把这些蚊子带到野外放生，让其和野生母蚊子交配。野生母蚊子是能够生育的，但基因驱动技术会使得她们生下的下一代不孕不育或产下的卵无法孵化。经过数代遗传后，整个群落中的母蚊子具备生育能力的会越来越少，直至所有母蚊子全都不孕不育。最后，整个野生蚊子群落必然完全灭绝。前不久，这一招数已经在实验室取得了成功。伦敦帝国理工（Imperial College London）的一些科学家抓了几百只植入了不孕不育gene drive的蚊子（冈比亚蚊），和另外几百只普通蚊子放在一个小笼子里，让它们交配。结果，经过7代至11代交配后，所有蚊子产的卵都无法孵化了。之前也有其他科学家做过这种实验，但是没有成功，因为总有少数蚊子能产生变异，可以对抗不孕不育gene drive，拒绝不孕不育gene drive的遗传。这一次，伦敦的科学家们花了两年的时间，总算克服了这一困难，在小笼子层次，成功实现了用gene drive技术灭绝整个蚊子群落。下一步，还要在大一些笼子（大概相当于一个房间那么大小）里做实验，因为在越大的笼子里，其温度、光线、交配模式等环境情况，才更接近野外的真实环境。如果在大一些的笼子里能够成功，还不能直接投入使用。还要经过政府、居民、科学家各方在就gene drive这一技术手段对生态环境、道德伦理方面的问题都取得共识后，才能真的使用这一技术在野外灭蚊。

第二种招数（特别阴）：让蚊子只能生男孩

首先，找到某种只会剪切X染色体、不剪切Y染色体的酶。然后，在实验室中，以这种酶作为gene drive，植入一些蚊子体内。接着，把这些蚊子带到野外放生，让其和野生母蚊子交配。这会导致蚊子产下的后代95%都只有Y染色体，没有X染色体，即几乎全是公蚊子。因为只有母蚊子才会叮咬人类，所以只要降低蚊子群落中的母蚊和公蚊数量之比，就能够有效控制疟疾的传播。更何况，数代之后，基因驱动技术会让整个蚊子群落中只剩公蚊子，大家都只能打光棍。最后整个野生蚊子群落必然完全灭绝。

这一招也在实验室成功了。同样是来自伦敦帝国理工的科学家，同样是在小笼子里做。这一次，效果更好，他们放到笼子里的植入了“只生男孩”gene drive的蚊子的数量，只占笼子内蚊子初始总数的2.5%，但很快（比“不孕不育”招快，不需要交配7代），笼子里就只剩公蚊子了（也就是公蚊子占100%）。下一步，同样要在大一些的笼子里做实验。然后再扩展到野外。

第三种招数（特人道）：帮蚊子打预防针

首先，找到一种使蚊子自己不怕疟原虫的基因片段。然后，在实验室中，以这种能防疟原虫的基因片段作为gene dirve，植入一些蚊子体内。接着，把这些蚊子带到野外放生，让其和野生母蚊子交配。数代之后，基因驱动技术会让整个蚊子群落所有蚊子都不携带疟原虫。这第三种招数是非常人道的，和前面介绍的两种招数的思路完全相反。这简直是以德报怨，人被蚊子害了，但却对蚊子说：这不怪你们，只怪疟原虫。然后主动帮蚊子打预防针，让蚊子自己一开始就不受疟原虫感染。这一招在实验室也有一些进展，但是不如前两种招数成功。