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如果有人问，地球上最危险最致命的动物是什么？可能大多数人会想到狮子、老虎这样的猛兽，很少有人会想到蚊子这种不起眼的昆虫。然而，世界卫生组织（WHO）详细统计过每年因为某类动物丧生的人数，蚊子以每年造成七十多万人死亡高居“杀手榜”榜首，远超其他动物的总和。在卫生条件显著改善的现代社会，这可以算得上是一个天文数字。
世界卫生组织统计的每年因为某类动物丧生的人数。红色圆圈的大小表示了人数的多少。蚊子每年会造成七十多万人死亡。
蚊子最大的危害其实并不是它吸走了少量血液，而是它分泌并进入人体的唾液，其中可能携带了各种各样危险的病原体，容易导致人类感染疾病。此外，同一只蚊子有可能从不同的人身上多次吸血，如果恰好其中一个人感染了疾病，就可能通过蚊子传染给更多人，导致传染病暴发。这就是“蚊媒疾病”这个词语的由来，因为蚊子在其中充当了病原体传播的媒介。
蚊子有趣且复杂的行为，以及蚊媒疾病带来的巨大危害，很早就吸引了众多生物学家来研究。在过去的几十年里，科学家具体描绘了蚊子的解剖结构和行为特征，但是受制于技术手段的缺乏，对它的大脑的研究却止步不前。蚊子很小，所以它的大脑也很小，直径不过半毫米左右，需要借助染色技术和强大的显微镜才能看清楚。然而要想弄清蚊子的大脑是如何控制行为的，就需要研究活体的大脑，这在技术上则更难，因为蚊子大脑本身是不发光的，在显微镜下没有特殊的形态特征。
研究者需要把蚊子大脑中特定的神经细胞标记上荧光，才能深入地研究它们的活性和功能，而这项技术直到最近十来年才成为可能。2012年，珍妮弗·道德纳（Jennifer Doudna）和埃玛纽埃勒·沙尔庞捷（Emmanuelle Charpentier）等分子生物学家发明了CRISPR/Cas9基因编辑技术，由于其普适性可以广泛应用于不同的物种，她们也因此获得了2020年的诺贝尔化学奖。简单来说，基因编辑就像是一把神奇的剪刀，可以在基因组的指定位点把DNA剪开，如果同时提供一个修复的模板，那么就可以把模板上的外源基因，如来自水母的绿色荧光基因，插到剪开的DNA位点上，实现荧光标记的目的。
离体染色以后的蚊子大脑——即把蚊脑与身体分离后进行固定、封闭及免疫荧光染色，在显微镜下成像。
2012年之后，包括美国普林斯顿大学麦克布赖德实验室（作者攻读博士学位时在该实验室学习）在内的几个研究团队开始尝试把基因编辑技术应用到蚊子上。虽然基因编辑的原理简单明了，但是实际应用到蚊子上却经历了一个漫长的试错过程，主要原因是基因编辑，尤其是长片段外源基因的插入效率在蚊子中非常低。这也就意味着需要筛选大量的蚊子幼虫，才能找到正确的转基因个体。研究团队花费了三四年的时间，才逐渐把一些重要的转基因蚊子品系建立起来。在现代神经科学研究中通常需要对特异的脑区进行遗传学标记，如研究蚊子的嗅觉系统就需要对嗅觉脑区进行标记，这样才可以记录嗅觉特异性的神经活动信号。到目前为止，通过编辑伊蚊不同的基因组位点，研究团队拥有了荧光标记全脑、初级嗅觉脑区、高级嗅觉脑区及单个嗅小球的品系，而它们也成为研究蚊子大脑机制的基本工具，被领域内的其他研究团队广泛使用。
荧光标记的不同类型的转基因蚊子。图中紫色为免疫染色以显示大脑的形态，而绿色为被基因编辑所标记的、表达水母荧光蛋白的神经细胞。通过把荧光基因插入到不同的基因组位点，可以标记不同类型的脑区和神经细胞。
本文摘编自《科学世界》2024年第9期，文章内容略有删改。
撰文/图片 | 赵志磊（美国康奈尔大学）
新媒体编辑 | 周濛
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