'유전자 보호막'을 갖춘 모기, 말라리아 감염률 93% 감소

살충제 내성 극복: 모기의 단일 유전자 변형이 어떻게 여러 세대에 걸쳐 자가 번식하여 생존에 지장을 주지 않고 말라리아 전염을 사실상 근절하는지에 대한 연구입니다.

최근 Nature 에 발표된 연구에 따르면, 과학자 팀은 피브리노겐 관련 단백질 1(FREP1)의 글루타민 224(Q224) 대립유전자가 스테판모기를 플라스모디움 감염에 저항하게 만드는지 조사하고, 이 대립유전자와 관련된 생존 비용을 추정했으며, 이 보호 돌연변이를 개체군 전체에 확산시키기 위한 대립유전자 유전자 구동 시스템을 테스트했습니다.

필수 조건

2023년에는 약 60만 명이 말라리아로 사망했으며, 대부분 사하라 이남 아프리카와 남아시아 어린이들이 사망했습니다. 모기장, 살충제, 항말라리아제 등 전통적인 방제 방법은 모기와 기생충의 내성으로 인해 그 효과가 감소하고 있습니다. 모기 개체군 전체에 유익한 대립유전자를 확산시키는 유전자 드라이브 기술은 유망하고 지속 가능한 해결책을 제시합니다.

FREP1 단백질은 기생충이 모기의 중장을 통과하는 데 도움을 주지만, 천연 변이체인 Q224는 모기의 생물학적 기능에 영향을 미치지 않으면서 감염을 예방할 수 있습니다. 연구의 목표는 이러한 내인성 대립유전자가 모기의 생존력을 유지하면서 말라리아 전파를 줄이는 데 안전하게 분포될 수 있는지 확인하는 것이었습니다.

연구에 관하여

CRISPR/Cas9를 이용하여 FREP1 단백질의 224번째 아미노산만 다른 두 종류의 아노펠레스 스테펜시(Anopheles stephensi) 균주를 만들었습니다. 류신(L224)을 가진 야생형 균주와 글루타민(Q224)을 가진 잠재적으로 방어적인 균주였습니다. 가이드 RNA는 코돈 상류 126bp에 위치한 인트론 영역을 표적으로 삼아 형광 표지(GFP 또는 RFP)를 삽입하여 상동 재조합을 가능하게 했습니다.

적합도는 날개 길이, 번식력, 알 부화율, 번데기 형성, 성충 우화 및 수명(Kaplan-Meier 생존 분석)을 통해 평가되었습니다.

벡터 역량은 플라스모디움 말라리아(인간)와 플라스모디움 베르게이(설치류) 기생충의 표준 막 공급을 통해 결정되었으며, 침샘에서 포낭충과 포자체 수를 측정했습니다.

대립유전자 구동 시스템은 vasa 프로모터의 제어 하에 L224 및 Cas9에 대한 gRNA를 포함하는 카세트를 포함했다. 대립유전자 빈도는 다중 사이클 실험(10세대)에서 형광 태그를 사용하여 모니터링했다. 유전형 분석은 PCR, 생어 시퀀싱, 그리고 NGS를 사용하여 수행했다. 베이지안 모델링은 실험실에서 자유 교배 동안 대립유전자 전환, 적합도 비용, 그리고 동역학을 추정했다.

결과

FREP1Q224 대립유전자는 생존율에 유의미한 감소를 초래하지 않았다. 날개 길이, 번식력, 부화, 번데기 형성, 그리고 성충 우화는 FREP1L224 대조군과 동일했다. 수컷 크기와 수명의 미세한 차이는 경쟁력에 영향을 미치지 않았다. FREP1Q224를 가진 처녀 암컷은 대조군과 같은 수명을 누렸고, 흡혈 후 암컷의 수명은 약간만 감소했다.

도전 실험 결과, 동형접합체에서 현저한 보호 효과가 나타났습니다.

• 낮은 농도의 P. falciparum 생식세포(0.08%)에서:
  • FREP1Q224에서는 감염률이 80%에서 ~30%로 떨어졌습니다.
  • 오오시스트의 평균 수: 3~0개
  • 침샘의 포자소체: >4000에서 0.
• 더 높은 배자세포증(0.15%)에서:
  • 오오시스트의 평균 수: ~32에서
  • 포자체도 극적으로 감소했습니다.
• P. berghei의 경우:
  • 오오시스트의 평균 수: 43~25개
  • 포자체: 약 19,000~11,000개.
• 이형접합체(FREP1L224/Q224)는 보호되지 않았습니다.

유전자 드라이브 효율성

• 쌍교배에서 Cas9 + gRNA L224는 FREP1L224 대립유전자의 50~86%를 FREP1Q224로 전환했습니다.
• 모성 Cas9의 경우 빈도가 더 높았습니다.
• 2세대에서는 보호 대립유전자의 빈도가 93%에 도달했습니다.
• NHEJ 복구 경로 오류의 발생률은 낮았고(0~12%) 일반적으로 손상을 유발했습니다.
• 기증자:수용자 비율이 1:3인 세포 집단에서 FREP1Q224 빈도는 10세대에 걸쳐 25%에서 >90%로 증가했습니다.
• NHEJ 대립유전자의 빈도는 5.4%에서

베이지안 모델링은 높은 전환율, 낮은 빈도의 안정적인 돌연변이, 치명적인 불임 모자이크 효과에 대한 가설을 뒷받침했습니다. 즉, 모체 Cas9 유전자형을 지닌 WT 동형 접합체는 체세포 돌연변이를 겪고 생존율이 감소했습니다.

이후 세대에서는 P. falciparum 오오시스트가 거의 완전히 억제되는 것으로 나타났습니다(중앙값 0~5.5). 이는 해당 개체군이 기생충 전파에 크게 저항력을 갖게 되었다는 것을 확인시켜 주었습니다.

보호적 대립유전자에는 숨겨진 이점이나 부작용이 없었고, 드라이브에 의해 퍼졌습니다.

결론

연구에 따르면 FREP1 단백질의 단일 아미노산을 대체하고 유전자 드라이브를 사용하여 유전적 특성을 바꾸면 Anopheles stephensi가 모기의 생존력을 손상시키지 않고도 인간과 설치류 모두 말라리아에 사실상 면역이 생길 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

이 접근법은 저항성으로 인해 효과가 감소하는 기존 조치(그물, 살충제, 약물)를 보완합니다. 이러한 시스템은 살충제 감수성을 회복하거나 다른 보호 대립유전자를 도입하는 데에도 사용될 수 있습니다.

이 기술을 구현하기 위해서는 엄격한 환경적, 윤리적, 거버넌스 프레임워크와 확산을 통제하는 시스템이 필요합니다.