유전자 변형으로 모기가 말라리아를 퍼뜨리는 것을 막는다

모기는 매년 다른 어떤 동물보다 더 많은 사람을 죽입니다. 2023년에는 이 흡혈 곤충이 약 2억 6,300만 명을 말라리아에 감염시켜 약 60만 명이 사망했으며, 그중 80%는 어린이였습니다.

최근 말라리아 전파를 막기 위한 노력은 모기가 살충제에 내성을 갖게 되고 말라리아를 유발하는 기생충이 약물에 내성을 갖게 되면서 교착 상태에 빠졌습니다. 이러한 어려움은 코로나19 팬데믹으로 인해 더욱 심화되었고, 이는 현재 진행 중인 말라리아 방역 노력을 더욱 어렵게 만들었습니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고, 존스 홉킨스 대학교, UC 버클리, 상파울루 대학교의 연구진은 모기의 말라리아 전파 능력을 유전적으로 차단하는 새로운 방법을 개발했습니다.

UC 샌디에이고의 생물학자 지첸 리(Zhiqian Li)와 에단 비어(Ethan Beer), 그리고 존스 홉킨스 대학교의 웨메이 동(Yuemei Dong)과 조지 디모풀로스(George Dimopoulos)는 모기의 몸에서 단일 분자를 변형하는 CRISPR 기반 유전자 편집 시스템을 개발했습니다. 이 작지만 효과적인 변화는 말라리아 기생충의 전파를 막습니다. 유전자 변형 모기는 여전히 감염된 사람을 물고 혈액에서 기생충을 옮길 수 있지만, 더 이상 다른 사람에게 전파할 수는 없습니다. 이 새로운 시스템은 모기 개체군 전체가 기생충을 보유하지 않을 때까지 말라리아 내성 형질을 유전적으로 확산시키도록 설계되었습니다.

"모기의 아미노산 하나를 말라리아 기생충 감염을 방해하는 다른 자연 발생 아미노산으로 바꾸고, 그 유익한 돌연변이를 모기 개체군 전체에 퍼뜨린 것은 정말 획기적인 발견입니다."라고 캘리포니아 대학교 샌디에이고 생명과학대학 세포 및 발생생물학과 교수인 비어는 말했습니다. "이렇게 작은 변화가 이렇게 극적인 효과를 낼 수 있다는 것이 믿기 어렵습니다."

새로운 시스템은 CRISPR-Cas9를 "유전 가위"로 사용하고 가이드 RNA를 이용하여 모기 유전체의 특정 영역을 절단합니다. 그런 다음 말라리아 전파를 촉진하는 원치 않는 아미노산을 이 과정을 방해하는 유익한 아미노산으로 대체합니다.

이 시스템은 FREP1이라는 단백질을 암호화하는 유전자를 표적으로 삼습니다. 이 단백질은 모기가 발육하고 흡혈할 때 피를 빨아먹는 데 도움을 줍니다. 이 새로운 시스템은 FREP1의 아미노산 L224를 다른 대립유전자인 Q224로 대체합니다. 기생충은 L224를 이용하여 모기의 침샘에 도달하여 새로운 숙주를 감염시킬 준비를 합니다.

존스홉킨스 블룸버그 공중보건대학원 말라리아 연구소 소속이자 분자미생물학 및 면역학과 교수인 디모풀로스는 아시아 말라리아의 주요 매개체인 아노펠레스 스테펜시(Anopheles stephensi) 모기의 변종을 실험했습니다. 그 결과, L224를 Q224로 대체했을 때 두 종류의 말라리아 원충이 침샘으로 침입하는 것을 효과적으로 차단하여 감염을 예방할 수 있음을 발견했습니다.

"이 접근법의 장점은 모기 유전자의 자연 발생 대립유전자를 활용한다는 것입니다. 단 한 번의 정확한 변화만으로도 여러 종의 말라리아 기생충을 차단하는 강력한 방패 역할을 할 수 있으며, 이는 다양한 모기 개체군과 종에서 나타날 가능성이 높습니다. 이를 통해 적응성이 뛰어나고 현실적인 질병 관리 전략의 문을 열 수 있습니다."
라고 조지 디모풀로스는 말했습니다.

후속 실험에서 연구진은 유전자 변형이 기생충의 체내 감염을 막았지만, 모기의 성장과 번식에는 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했습니다. 새로운 버전의 Q224를 가진 모기는 원래 L224 아미노산을 가진 모기만큼 생존력이 강했습니다. FREP1 단백질이 말라리아 전파와는 별개로 모기 생물학에서 중요한 역할을 한다는 점을 고려하면 이는 매우 중요한 성과입니다.

"유전자 드라이브" 시스템과 유사하게, 연구진은 모기 자손이 Q224 대립유전자를 물려받아 전체 개체군에 확산시켜 말라리아 기생충의 전파를 막는 방법을 개발했습니다. 이 새로운 "대립유전자 드라이브" 시스템은 비어 연구실에서 최근 개발한 농업 해충의 살충제 내성을 유전적으로 역전시키는 유사한 시스템을 따릅니다.

"이전 연구에서 저희는 초파리 개체군을 살충제 내성에서 감수성으로 되돌리는 자가 종결 유전자를 개발했습니다. 그러면 그 유전자 카세트 요소는 사라지고 '야생' 개체군만 남게 됩니다."라고 Bier는 설명했습니다. "유사한 유령 시스템이 모기 개체군을 기생충 내성 FREP1Q 변이를 보유하도록 전환할 수도 있습니다."

연구진은 L224를 Q224로 대체하는 것이 효과적임을 보여주었지만, 이러한 변화가 왜 그렇게 효과적인지 아직 완전히 이해하지 못했습니다. 아미노산 Q224가 기생충의 침입 경로를 정확히 어떻게 차단하는지 확인하기 위한 추가 연구가 진행 중입니다.

"이 획기적인 발견은 과학 기관 전반의 완벽한 팀워크와 혁신의 결과입니다."라고 디모풀로스는 덧붙였다. "우리는 자연의 유전적 도구를 활용하여 모기를 말라리아와의 싸움에서 동맹으로 만들었습니다."

해당 연구는 Nature 저널에 게재되었습니다.