原創 生物世界 Bio生物世界 收錄於話題#科學新知27#CRISPR基因編輯67
撰文｜nagashi
編輯｜王聰
排版｜水成文
摘要：據估計，全世界有超過30%的人類被感染弓形蟲，弓形蟲感染對免疫力低下者和孕婦有重大威脅。還有研究表明，弓形蟲感染會改變宿主行為，讓其更渴望探索和冒險。而一項最新研究則通過CRISPR基因編輯技術構建了弓形蟲突變株，能夠作為疫苗，阻斷貓向人類傳播弓形蟲。
2012年，韓國上映了一部名為《鐵線蟲入侵》的生物災難驚悚電影，電影中，原本寄生於昆蟲的鐵線蟲發生變異而寄生於人體，到達繁殖期的鐵線蟲會令宿主神志不清，投水自殺，再進入水中大量繁殖。
鐵線蟲，體型細長，呈馬鬃狀，最長可達1米，幼蟲寄生在螳螂、蝗蟲等節肢動物體內，鐵線蟲幼蟲在節肢動物體內會誘使宿主去尋找水源，進而讓自己成功進入水中成長並自由生活。鐵線蟲在世界各地廣泛分布，可通過水源感染人體，引起鐵線蟲病（感染人類的情況比較罕見）。
鐵線蟲從螳螂體內鑽出尋找水源，來源見水印
鐵線蟲看起來很恐怖，但是好在平時生活中只要注意不接觸汙水，其實並沒有什麼機會被感染，而且，人類感染鐵線蟲的情況很少見。
然而，實際生活中，人類卻很容易接觸和感染另一種寄生蟲——剛地弓形蟲。鐵線蟲會誘使宿主尋找水源，仿佛精神控制一般，而弓形蟲對宿主的精神控制有過之而無不及。
多達30%的人類已感染弓形蟲
剛地弓形蟲（Toxoplasma gondii）是貓科動物的腸道球蟲，1908年由法國學者Nicolle及Manceaux在北非剛地梳趾鼠的肝脾單核細胞內發現，蟲體呈弓形，命名為剛地弓形蟲。
剛地弓形蟲在全世界廣泛分布，人和許多動物都能感染，隨著養貓人群的增加，全世界有近三分之一的人群被感染，中國陽性感染率為5%—20%，部分地區高達30%以上。
剛地弓形蟲有一個複雜的生命周期，包括有性和無性兩個階段。儘管這種寄生蟲能夠感染許多哺乳動物，但它只能在包括家貓在內的貓科動物中完成其生命周期。即，除了終宿主以外，弓形蟲在其他動物體內只能進行無性繁殖，不能向外界散播它的後代。
弓形蟲感染的潛在危害
剛地弓形蟲是一種重要的機會致病原蟲（opportunistic protozoan），從上世紀20年代開始，醫生開始認識到如果女性在懷孕期間被弓形蟲感染，可能會導致嬰兒生病，在某些情況下還會導致失明、智力發育遲緩，甚至嚴重的腦損傷或死亡。
弓形蟲也是免疫力低下人群的重大威脅：在愛滋病剛開始流行的時候，科學家還沒有研發出有效抗逆轉錄病毒藥物，許多愛滋病患者晚期因弓形蟲感染而深受痴呆症折磨。
有些研究認為，弓形蟲感染可以潛在地影響人類的行為，甚至世界的文化。例如在2010年南非世界盃淘汰賽階段的八場比賽中，全部都是弓形蟲感染率高的國家獲得了勝利。
但好在健康的兒童和成人通常在感染弓形蟲初期的症狀和普通的流感差不多，只不過在病人抵抗住弓形蟲的侵害之後，弓形蟲並沒有被徹底消滅，還有可能潛伏在大腦細胞中。
弓形蟲能夠潛伏在大腦，進行精神控制
早期研究發現，弓形蟲對齧齒動物（鼠、兔等等）具有一種奇怪的「精神控制」能力，一旦感染了這種大腦寄生蟲，小鼠的大腦和行為便受到重大的影響，它們似乎就不再害怕貓，變得更容易被吃掉，這樣貓也會更多地感染上弓形蟲。
可以說這種寄生蟲相當的「聰明」，可以通過「精神控制」操縱被感染者的行為，進而達到繁殖的目的。甚至一些研究將人類感染弓形蟲與衝動/精神分裂等心理健康狀況聯繫起來。
但是，弓形蟲究竟是如何影響宿主的行為，以及對宿主「精神控制」的能力程度有多高，一直存在著激烈的科學辯論。
2020年1月，瑞士日內瓦大學的研究人員在 Cell 雜誌子刊 Cell Reports 雜誌發表了題：Neuroinflammation-Associated Aspecific Manipulation of Mouse Predator Fear by Toxoplasma gondii 研究論文。
這項研究表明，剛地弓形蟲感染會讓老鼠更渴望探索，並消除了對捕食者（不僅僅是對貓）的恐懼，此外，研究發現行為改變的嚴重程度與大腦中的弓形蟲囊腫數量呈正相關，指出了廣泛的與免疫相關的行為改變。
這項研究發現：感染弓形蟲後的小鼠不僅是不害怕貓，它們心很大，哪哪兒都敢去，冒險精神更強了。但這對小鼠來說，這並不是什麼好事，膽大、好奇的小鼠更有可能外出而被吃掉。每當它被吃掉的時候弓形蟲都會被傳播下去。
那麼，為什麼感染弓形蟲後，小鼠會發生如此巨大的行為改變呢？
研究團隊進一步提出，大腦中弓形蟲囊腫引起的免疫反應是被感染者行為改變的基礎。這項研究發現囊腫在小鼠皮層（大腦外層）的分布大致均勻。對腦組織的遺傳分析揭示了某些炎症標誌物。研究表明，囊腫的數量和炎症的水平都與被感染小鼠的行為改變程度呈正相關。給感染了弓形蟲的小鼠服用消炎藥可以逆轉它們的一些行為變化。
這項研究結果表明，弓形蟲已經找到了一個寄生在大腦中的「絕佳位置」：侵入大腦足以激發一種免疫反應，使宿主向捕食者靠近，但又不足以立即殺死宿主。這可以稱得上是「一個非常聰明的策略」。在某種程度上，弓形蟲是一個「瘋狂的天才」。
CRISPR基因編輯帶來解決辦法
全世界約有三分之一的人類感染並攜帶了弓形蟲，這些弓形蟲給免疫力低下者帶來了很大的潛在風險，此外，弓形蟲感染對孕婦來說也是一個不能忽視的潛在威脅。因此，預防和控制弓形蟲感染，對人類健康和公共衛生有重大意義。
2020年12月，瑞士蘇黎世大學的研究人員在 Journal of Biological Methods 雜誌發表了題為：A streamlined CRISPR/Cas9 approach for fast genome editing in Toxoplasma gondii and Besnoitia besnoiti 的研究論文。
研究團隊通過CRISPR基因編輯技術，創造了一個弓形蟲突變株，該突變株表現出受精不良、繁殖力降低，並導致其卵囊無法產生子孢子。用這種基因編輯改造的弓形蟲感染貓科動物，能夠完全防止弓形蟲感染後的卵囊和子孢子的傳播。
這表明，這種基因編輯後的弓形蟲可作為一種減毒疫苗，能夠阻止弓形蟲的傳播。
更重要的是，研究團隊表示，該研究使用電轉染Cas9蛋白和化學合成的sgRNA，這種瞬時組分，不含有質粒，在編輯弓形蟲基因後，該組分會迅速被降解，能夠最大程度避免脫靶效應帶來的潛在風險。
弓形蟲具有複雜的生命周期，幾乎能感染所有的溫血動物，包括野生齧齒動物、鳥類、哺乳動物，以及人類。據估計，全世界有超過20億人感染並攜帶弓形蟲，人類主要通過三種途徑感染弓形蟲：食源性感染；母嬰感染；動物對人感染（主要是寵物貓）。
這項研究中開發的CRISPR基因編輯弓形蟲突變株，能夠有效預防貓科動物傳播弓形蟲，從而斷絕上述最後一條傳播途徑。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.12.019
https://www.jbmethods.org/jbm/article/view/343
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