Wolbachia是世界上最成功的寄生虫。你从来没有听说过它，因为它只会感染虫子：全球数百万种昆虫，蜘蛛，蜈蚣和其他节肢动物。过度成功的细菌成功的秘诀在于它能够劫持宿主的繁殖。生物学家已经知道，Wolbachia拥有这种力量超过40年，但现在只有范德比尔特和耶鲁大学的生物学家团队确定了赋予这种卓越能力的特定基因。这两所大学已经申请了这些基因潜在用途的专利，以便对细菌寄生虫或昆虫本身进行基因工程，以产生更有效的方法来控制登革热和寨卡病等昆虫传播疾病的传播，并减少对这些疾病的破坏。农业害虫。

该成就描述于Nature杂志的一篇题为“Prophage WO Genes Recapitulate and Enhance Wolbachia- induced Bulated Cytoplasmic Incompatibility”的论文中，以及在2月27日在线发表的Nature Microbiology的题为“A Wolbachia deubiquitylating enzyme induces cytoplasmic incompatibility” 的配套文章中描述。

“几十年来，我们已经知道Wolbachia成功的秘诀在于它会干扰宿主繁殖，以便通过雌性传播。但细菌如何做到这一点对于该领域来说是一个重大的谜团，”副教授说。生物科学学院的Seth Bordenstein，领导范德比尔特特遣队。“现在我们知道了赋予它这种能力的基因。”

Wolbachia通常通过称为“细胞质不相容性”或CI的过程操纵其宿主的繁殖。这使受感染的雄性精子对未感染雌性的卵子致死。研究人员已经确定了一对Wolbachia基因只有在一起工作时才能产生这种效应。

当感染的雄性与未感染的雌性交配时，几乎没有卵孵化。然而，当受感染的雄性与受感染的雌性交配或当未感染的雄性与受感染的雌性交配时，它们产生与未感染的雄性和雌性交配时相同数量的后代。这最大化了每一代产生的受感染雌性的数量，这有益于Wolbachia，因为它只通过母系传播。

“这是一种非常有效的策略。在理想的条件下，它允许Wolbachia在几代或几年内感染整个宿主，”Bordenstein说。多年来，科学家一直在寻找使用这种天然细菌来控制传播人类疾病的蚊子的方法，他们最近有一些值得注意的早期成功。

Wolbachia通常不存在于埃及伊蚊(Aedes aegypti)中，这种蚊子传播登革热，寨卡病毒和基孔肯雅病毒。然而，十年前，一群澳大利亚科学家发现，当将Wolbachia引入伊蚊时，它可以防止这些疾病病毒的生长。这导致了一项名为“消灭登革热”的国际非营利性合作。

结果非常有希望，因此这些小组正在世界各地进行实地研究，以确定使用Wolbachia控制寨卡病毒和登革热的最有效方法，这被认为是世界上最重要和最迅速传播的蚊子传播的病毒病。 。

肯塔基州的“MosquitoMate”等其他举措也采用这种方法通过释放受感染的雄性蚊子来抑制蚊子种群的大小，这种蚊子通过CI对野外未受感染的雌性进行灭菌。

“使用Wolbachia来消除或抑制登革热和寨卡病毒的传播有两种基本方法，”Bordenstein说。

这种称为人口替代的稳定方法是引入感染了沃尔巴克氏体的雄性和雌性，因此它们自己传播细菌，直到最终取代常住种群。随着它们的传播，登革热和寨卡传播的风险下降，因为沃尔巴克氏体可以防止这些病毒复制。

第二种方法称为人口抑制，即引入大量受感染的雄性。因为与受感染的雄性交配的未感染雌性不能繁殖，这减少了携带疾病的昆虫或农业害虫的目标群体的大小。

第一种方法是缓慢但稳定的，最终应该导致疾病传播的减少或虚拟消除。第二种方法更快但昆虫种群可以反弹，因此必须反复施用。

范德比尔特研究人员发现，使用基因工程将Wolbachia CI基因插入受感染的昆虫可以增强不相容效应，从而显着降低与受感染雄性交配的未感染雌性的孵化率。结果，它可能增加细菌扩散的速度。

该结果提出了两种可能性，这是本专利申请的主题：一种是通过插入更多的CI基因拷贝来直接转化Wolbachia菌株。当用于种群替换时，感染这种“超级Wolbachia ”的昆虫应该更快地传播，并且当用于种群替换或抑制时可以更有效。另一种是将CI基因插入昆虫的基因组中，这样它们就可以直接导致CI。这将使得可以使用该技术来抑制对Wolbachia感染具有抗性的昆虫物种。

Bordenstein和他的同事近二十年来一直在寻找CI基因，并通过测序和比较导致和不导致CI的菌株的Wolbachia基因组来追踪它们。然后他们使用消除过程来追踪负责任的基因。他们发现了两个有希望的基因。然而，当研究人员将这些基因中的每一个插入果蝇的基因组中时，它就完全破灭了。它们都没有影响苍蝇的繁殖：它们的卵正常孵化。

“然而，当我们一起尝试它们时，它会把屋顶吹掉，”博登斯坦说。“我们能够在遗传上繁殖并增强果蝇的CI效应。”

根据生物学家的说法，CI基因的起源仍然是一个完整的谜团。它们位于Wolbachia基因组的一部分，称为真核生物关联模块，其中包含细菌似乎用于与宿主相互作用的基因。

除此之外，研究人员不知道它们来自何处。研究人员的下一步是寻找受感染雌性中抵抗CI 的基因，这些基因可以拯救它们并使它们正常孵化。

自然论文的共同作者包括：前博士生Jason Metcalf，Daniel LePage和Lisa Funkhouser-Jones，现任博士生Jessamyn Perlmutter和Dylan Shrophsire，高级研究员Sarah Bordenstein，研究助理Jungmin On，Vanderbilt本科生Emily Layton，以及约翰贝克曼，耶鲁大学医学院博士后。