Mücken mit eingebautem „genetischen Schutzschild“ stoppen Malaria – Infektionsraten sinken um 93 %

Überwindung der Insektizidresistenz: Wie sich eine einzige Genveränderung bei Mücken über Generationen hinweg selbst verbreitet und so die Übertragung von Malaria praktisch ausschließt, ohne das Überleben zu gefährden.

In einer kürzlich in Nature veröffentlichten Studie untersuchte ein Wissenschaftlerteam, ob das Glutamin-224-Allel (Q224) im Fibrinogen-verwandten Protein 1 (FREP1) Anopheles stephensi-Mücken resistent gegen eine Plasmodium-Infektion macht, schätzte die mit diesem Allel verbundenen Überlebenskosten und testete ein allelisches Gene-Drive-System, um diese schützende Mutation in Populationen zu verbreiten.

Voraussetzungen

Im Jahr 2023 starben rund 600.000 Menschen an Malaria, hauptsächlich Kinder in Afrika südlich der Sahara und Südasien. Traditionelle Bekämpfungsmethoden – Moskitonetze, Insektizide und Malariamedikamente – verlieren aufgrund von Resistenzen bei Mücken und Parasiten an Wirksamkeit. Gene-Drive-Technologien, die nützliche Allele in Mückenpopulationen verbreiten, bieten eine vielversprechende und nachhaltige Lösung.

Das Protein FREP1 hilft Parasiten, den Mitteldarm der Mücke zu durchqueren. Die natürliche Variante Q224 kann jedoch eine Infektion verhindern, ohne die Biologie der Mücke zu beeinträchtigen. Ziel war es zu testen, ob ein solches endogenes Allel sicher verteilt werden kann, um die Malariaübertragung zu reduzieren und gleichzeitig die Lebensfähigkeit der Mücke zu erhalten.

Über die Studie

Mithilfe von CRISPR/Cas9 wurden zwei Stämme von Anopheles stephensi erzeugt, die sich lediglich in der 224. Aminosäure im FREP1-Protein unterschieden: ein Wildtyp mit Leucin (L224) und ein potenziell schützender Stamm mit Glutamin (Q224). Die Leit-RNA zielte auf eine Intronregion 126 bp vor dem Codon und ermöglichte so eine homologe Rekombination durch Einfügen eines Fluoreszenzmarkers (GFP oder RFP).

Die Fitness wurde anhand der Flügellänge, Fruchtbarkeit, Brutrate, Verpuppung, Schlüpfen der adulten Tiere und Lebensdauer (Kaplan-Meier-Überlebensanalyse) beurteilt.

Die Vektorkompetenz wurde mittels Standardmembranfütterung der Parasiten Plasmodium falciparum (Mensch) und Plasmodium berghei (Nagetier) durch Zählung der Oozysten und Sporozoiten in den Speicheldrüsen bestimmt.

Das Allel-Antriebssystem umfasste eine Kassette mit gRNA gegen L224 und Cas9 unter der Kontrolle des Vasa-Promotors. Die Allelfrequenzen wurden mithilfe von Fluoreszenzmarkierungen in Mehrzyklus-Experimenten (10 Generationen) überwacht. Die Genotypisierung erfolgte mittels PCR, Sanger-Sequenzierung und NGS. Bayesianische Modellierung schätzte die Allelkonversion, die Fitnesskosten und die Dynamik während der freien Paarung im Labor.

Ergebnisse

Das FREP1Q224-Allel führte zu keinen signifikanten Überlebenseinbußen: Flügellänge, Fruchtbarkeit, Schlüpfen, Verpuppung und Schlüpfen der adulten Tiere waren identisch mit der FREP1L224-Kontrolle. Kleine Unterschiede in Größe und Lebensdauer der Männchen hatten keinen Einfluss auf die Konkurrenzfähigkeit. Jungfräuliche FREP1Q224-Weibchen lebten genauso lange wie die Kontrollgruppe, und Weibchen zeigten nach Blutfütterung nur eine geringfügig verringerte Lebensdauer.

Challenge-Experimente zeigten einen deutlichen Schutz bei Homozygoten.

• Bei niedrigen Konzentrationen von P. falciparum-Gametozyten (0,08 %):
  • Die Infektionsrate sank von 80 % auf ~30 % in FREP1Q224;
  • Durchschnittliche Anzahl der Oozysten: 3 bis 0;
  • Sporozoiten in Speicheldrüsen: von >4000 bis 0.
• Bei höherer Gametozythämie (0,15 %):
  • Durchschnittliche Anzahl der Oozysten: von ~32 bis
  • Auch die Sporozoiten nahmen dramatisch ab.
• Für P. berghei:
  • Durchschnittliche Anzahl der Oozysten: 43 bis 25;
  • Sporozoiten: von ~19.000 bis 11.000.
• Heterozygote (FREP1L224/Q224) waren nicht geschützt.

Effizienz des Gene Drives

• In gepaarten Kreuzungen wandelte Cas9 + gRNA L224 50 bis 86 % der FREP1L224-Allele in FREP1Q224 um;
• Bei mütterlichem Cas9 war die Häufigkeit höher;
• In der 2. Generation erreichte die Häufigkeit des Schutzallels 93 %;
• Die Häufigkeit von Fehlern im NHEJ-Reparaturpfad war gering (0–12 %) und verursachte in der Regel Schäden.
• In Zellpopulationen mit einem Spender-Empfänger-Verhältnis von 1:3 stieg die FREP1Q224-Häufigkeit über 10 Generationen von 25 % auf >90 %;
• Die Häufigkeit der NHEJ-Allele sank von 5,4 % auf

Die Bayes'sche Modellierung stützte die Hypothese einer hohen Konversion, einer geringen Häufigkeit stabiler Mutationen und eines tödlichen sterilen Mosaizismuseffekts, bei dem WT-Homozygoten mit dem mütterlichen Cas9-Genotyp unter somatischen Mutationen und einer verringerten Überlebensrate litten.

Spätere Generationen zeigten eine fast vollständige Unterdrückung der P. falciparum-Oozysten (Median 0 bis 5,5), was bestätigt, dass die Population gegenüber der Übertragung durch den Parasiten weitgehend resistent geworden war.

Das schützende Allel hatte keine versteckten Vorteile oder Nebenwirkungen und verbreitete sich zwangsläufig.

Schlussfolgerungen

Die Studie ergab, dass durch den Austausch einer einzigen Aminosäure im Protein FREP1 und die Veränderung seiner Vererbung mittels eines Gene Drives Anopheles stephensi praktisch immun gegen Malaria – sowohl beim Menschen als auch bei Nagetieren – gemacht werden könnte, ohne die Lebensfähigkeit der Mücken zu beeinträchtigen.

Dieser Ansatz ergänzt bestehende Maßnahmen (Netze, Insektizide, Medikamente), deren Wirksamkeit durch Resistenzen beeinträchtigt wird. Ein solches System kann auch dazu genutzt werden, die Empfindlichkeit gegenüber Insektiziden wiederherzustellen oder andere schützende Allele einzuführen.

Bevor die Technologie implementiert werden kann, sind strenge ökologische, ethische und Governance-Rahmenbedingungen sowie Systeme zur Kontrolle der Verbreitung erforderlich.