維德角（Cape Verde）居民的抗瘧基因

 

維德角共和國。圖片來源：維基百科。

維德角共和國（Republic of Cabo Verde，Cape Verde，意為「綠角」）是一個位於西非的大西洋島國，包括了十個火山島。根據維基百科的資料，全國人口數約為五十四萬人。

當地在1456年以前是無人島。自從葡萄牙人發現它以後，便開始陸續來到島上居住，並從西非帶來奴隸，並一度成為重要的奴隸貿易中心。1975年獨立。

最近發表於bioRxiv期刊（該期刊上的論文並未經過同儕審查）上的一項研究指出，該國的居民的基因體在DARC基因上，有超過半數具有一個特殊的突變。由於DARC基因所產生的趨化因子受體（chemokine receptor）是間日瘧原蟲（Plasmodium vivax）進入紅血球的受體，這個突變造成間日瘧瘧原蟲無法進入紅血球，使得當地居民特別不容易被感染。這個基因突變出現的頻率，在該共和國的最大島，也是該共和國發生瘧疾感染最嚴重的地方，甚至高達80%。

有趣的是，這個現象過去就曾被觀察到。一筆1721年的紀錄就提到，外地人在雨季的時候特別容易感染一種危險的疾病。在短短五百多年就被篩選出這樣的現象，顯示出只要選擇壓力存在（何時不存在呢？），生物無時無刻不在演化中。

參考文獻：

View ORCID ProfileIman Hamid, Katharine Korunes, Sandra Beleza, Amy Goldberg. 2020. Rapid adaptation to malaria facilitated by admixture in the human population of Cabo Verde. doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.01.278226

以微孢子蟲（Microsporidia）防治瘧疾

微孢子蟲的孢子母細胞。圖片來源：維基百科

瘧疾（malaria）雖然是一種古老的疾病，但它一年仍從全世界奪走超過四十萬條人命。雖然隨著治療瘧疾的藥物如奎寧、青蒿素等的發現，加上使用蚊帳、撲滅病媒蚊等方式，已經成功地讓瘧疾在世界的某些地方消失，但非洲、南美洲的某些區域、亞洲的中南半島、印度的人民仍深受瘧疾的威脅。目前對奎寧或/及青蒿素有抗性的瘧原蟲也已經出現，所以找尋新方法來防治瘧疾的確是刻不容緩的事情。

雖然噴灑殺蟲劑可以撲滅病媒蚊，但對殺蟲劑有抗性的瘧蚊也早已出現。最近的研究更發現，蚊帳的使用造成瘧蚊改變牠們的攝食時間：從晚上改為較早的傍晚與較晚的早晨。研究團隊也發現，較早的傍晚被咬，罹患瘧疾的可能性較高。

是否有其他方法可以防治瘧疾呢？過去對登革熱病媒蚊的研究發現，被沃爾巴克氏體（Wolbachia）這種立克次體科的內共生細菌寄生的病媒蚊出現壽命縮短一半、無法叮咬人類的狀況，如此一來便可以藉由釋放被沃爾巴克氏體感染的病媒蚊來防治登革熱。

最近肯亞的研究團隊在維多利亞湖畔研究瘧蚊時，發現了一種微孢子蟲Microsporidia MB。大約百分之五的瘧蚊體內含有這種微孢子蟲，而被微孢子蟲感染的瘧蚊，體內找不到瘧原蟲。被微孢子蟲感染的瘧蚊生殖與存活能力並沒有下降的現象，但瘧原蟲不存在於牠們的體內卻是不爭的事實。

微孢子蟲過去曾一度被以為是原蟲，不過現在已知它們是一種真菌。全世界有大約一百萬種微孢子蟲，不過只有大約一千五百種被命名。微孢子蟲寄生於動物體內（主要是昆蟲），目前已經發現並命名的微孢子蟲，大抵都是感染一個物種或數種相關的物種。大約有10%的微孢子蟲感染脊椎動物，有少數幾種在某些狀況下會感染人類。

研究團隊發現微孢子蟲主要住在瘧蚊的中腸與卵巢中。在實驗室以微孢子蟲感染瘧蚊後，瘧蚊體內找不到子孢子（sporozoite）。由於Microsporidia MB本來就會感染瘧蚊，所以讓更多的瘧蚊被它感染應該不會產生影響生態的疑慮。當然，在真正開始大規模地讓瘧蚊被微孢子蟲感染之前，研究團隊還需要對微孢子蟲與瘧蚊間的互動進行更多的瞭解。

參考文獻：

Jeremy K. Herren. et al. A microsporidian impairs Plasmodium falciparum transmission in Anopheles arabiensis mosquitoes. Nature Biotechnology. 2020.

Eunho Suh, Marissa K. Grossman, Jessica L. Waite, Nina L. Dennington, Ellie Sherrard-Smith, Thomas S. Churcher, Matthew B. Thomas. The influence of feeding behaviour and temperature on the capacity of mosquitoes to transmit malaria. Nature Ecology & Evolution, 2020; DOI: 10.1038/s41559-020-1182-x

Microsporidia. Wikipedia.

瘧原蟲如何流佈無窮？

瘧原蟲（Plasmodium vivax）的滋養體與紅血球。
圖片來源：Wiki

雖然時間已經來到二十一世紀，但如瘧疾（malaria）這種古老的疾病不僅還沒有從地球上消失，反而還有捲土重來的跡象。單是2015年，全世界有大約兩億一千四百萬個新病例；患者有88%在非洲，10%在東南亞，2%在地中海區域。那一年，全世界就有大約四十三萬八千人因罹患瘧疾而死，其中非洲佔90%， 東南亞7%，地中海區域2%。 瘧疾對於小孩與懷孕的婦女影響極大，2015年死於瘧疾的人裡面，將近七成（三十萬六千人）為五歲以下的兒童，為撒哈拉以南地區兒童第四大死因 。目前瘧疾雖然已經有疫苗，但目前已上市的疫苗效果仍有限，而瘧原蟲卻已對青蒿素發展出抗藥性；因此，除了繼續研發新的藥劑來治療瘧疾、以及繼續進行疫苗的開發以外，了解它如何散播，對防治也應有極大的幫助。

最近瑞典的斯德哥爾摩大學（Stockholm University）的研究團隊發現，惡性瘧（Plasmodium falciparum）原蟲會利用自己產生的（E）-4-羥基-3-甲基 - 丁-2-烯基焦磷酸酯（(E)-4-Hydroxy-3-methyl-but-2-enyl pyrophosphate，以下簡稱HMBPP），來改變紅血球的代謝，使紅血球產生可以吸引瘧蚊（Anopheles 屬）與家蚊（Culex 屬）的蚊子前來吸血的氣味（1）。

HMBPP。圖片來源：Wiki

從1998年就發現，瘧蚊對已經感染瘧疾的人有偏好。當瘧蚊叮咬了瘧疾患者後，患者體內的配子體就會進入瘧蚊體內，在中腸產生雌雄配子、結合形成合子，動合子穿出中腸形成卵囊然後釋出成熟的子孢子移動到瘧蚊的唾腺等待下一次的叮咬。因此，對瘧原蟲來說，瘧蚊的叮咬是瘧疾散播的關鍵，能夠讓罹患瘧疾的人對瘧蚊有吸引力，絕對是一件好事。

但是，瘧原蟲釋放的代謝物絕對不只有HMBPP，為什麼它會被研究團隊注意到呢？原來在過去已經發現，HMBPP可以引發人類宿主的Vγ9Vδ2 T 細胞反應，而甘比亞瘧蚊（A. gambiae）的腸道菌對它也會有一些反應（2）。

HMBPP是2-C-甲基-D-赤蘚醇-4-磷酸路徑（2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate pathway，MEP pathway，又稱為非甲羥戊酸路徑 non-mevalonate pathway）的前驅物，瘧原蟲以MEP路徑來合成類異戊二烯（isoprenoids）。類異戊二烯是細胞內許多重要物質的前驅物，包含賀爾蒙的合成、蛋白質的醣化等都需要它。高等真核生物（如人與蚊子）並不使用這條路徑，而是使用甲羥戊酸路徑；只有細菌與頂複門（apicomplexan）的寄生蟲使用MEP 路徑。

研究團隊發現，雌性瘧蚊偏愛加入HMBPP的紅血球；當研究團隊提供加了HMBPP與不加的紅血球給雌性瘧蚊時，95%的雌性瘧蚊都去吸含有HMBPP的血，其效果與含有瘧原蟲滋養體或配子體的紅血球的效果相當。而這個效應，只有在HMBPP與紅血球同時存在時出現：若以血清取代（添加HMBPP的血清與不加HMBPP的血清）則無此效應。不過，若把含有滋養體或配子體的紅血球分離，只以上清液（約含10微莫爾的HMBPP）來進行觀察時，也有類似的效果。但如果先把被感染的紅血球以抑制HMBPP合成的藥劑膦絲菌素（fosmidomycin）處理，瘧蚊對它的偏好就消失了。這些都顯示了，瘧蚊受到HMBPP的吸引，而這個效應與紅血球有關。

這個效應是否是因為HMBPP刺激紅血球，使紅血球釋放出瘧蚊喜愛的氣味呢？研究團隊使用Y形管來測量瘧蚊對不同方式處理的紅血球發出的氣味的反應，發現HMBPP處理過的紅血球放出的氣味，與被配子體感染的紅血球放出的氣味相比，吸引力一樣強。

究竟這是什麼樣的氣味呢？過去對蚊子的研究發現，二氧化碳是很強的吸引劑；於是研究團隊先測量是否被HMBPP處理過的紅血球，釋放出來的二氧化碳比較多。結果發現，以HMBPP處理過的紅血球，釋放出來的二氧化碳多了16%；不過若只是把二氧化碳與紅血球放在一起，發出來的氣味對瘧蚊的吸引力並不特別強。這代表HMBPP對紅血球的影響，不只是二氧化碳而已。

於是研究團隊收集了被HMBPP處理過的紅血球所釋放出來的揮發物質，發現這些物質加上二氧化碳，就可以產生與被HMBPP處理過的紅血球一樣的效果。

這些揮發物質是什麼呢？分析的結果發現，裡面有α-蒎烯（α-pinene）、β-蒎烯（β-pinene）、檸烯（limonene）、辛醛（octanal）、壬醛（nonanal）與癸醛（decanal）。當研究團隊把這六種物質加上二氧化碳時，便有一樣的效果，而且加的越多效果越好。

更有意思的是，瘧蚊在吸食HMBPP處理的血時，會喝得比較多；吸了含有HMBPP的血的瘧蚊，體內的卵囊數也多了好幾倍，於是子孢子的數量當然也就大為增加（接近一倍）了。但是瘧蚊的繁殖力以及存活率都不受到影響。

整體來看，受到瘧原蟲感染的人，因其紅血球被HMBPP作用，產生較多的二氧化碳與揮發性物質，而這些物質對瘧蚊具有吸引力，使瘧蚊對瘧疾患者產生偏好。如此一來，就會有更多的瘧蚊帶有瘧原蟲來傳播瘧疾；而且由於吸食到含有HMBPP血的瘧蚊可以產生更多的子孢子，可能會使牠們下次叮咬人類時感染力變得更強。與弓漿蟲（Toxoplasma gondii）對中間宿主（老鼠）的作用相比，瘧原蟲以及瘧原蟲所產生的HMBPP對瘧蚊本身似乎沒有產生多少影響，不若弓漿蟲會造成老鼠不怕貓、甚至對貓產生好奇，而導致殺身之禍（3）。

有趣的是，在之前有關阿拉伯瘧蚊（Anopheles arabiensis）對氣味的研究中發現，阿拉伯瘧蚊不喜歡的氣味裡其實也包含了檸烯（4）。當然，不論是在阿拉伯瘧蚊或在本文中所提及的甘比亞瘧蚊對氣味的反應上，其實都包含了許多不同的揮發性物質；只是檸烯（俗稱檸檬油精）的氣味相當特殊，這兩種同屬的生物對它的反應卻是南轅北轍，因此筆者特別看了一下甘比亞瘧蚊對檸烯的愛好是否特別強烈？從研究團隊所提供的結果上看來，應該也不算特別強烈吧！

了解瘧蚊喜愛的氣味，便可以開發出瘧蚊的誘捕劑；加上環境衛生的管理等措施，應該也可有效控制瘧蚊的數目。雖然到後來不免會篩選出不受這些氣味吸引的瘧蚊，不過若能因此降低瘧疾傳播的速率，也可說是另一種成就吧！

（本文刊登於2017/5/10基因線上）

參考文獻：
1. S. N. Emami et. al. A key malaria metabolite modulates vector blood seeking, feeding, and susceptibility to infection. Science. 10.1126/science.aah4563 (2017).

2.B. G. Lindberg et. al. Immunogenic and Antioxidant Effects of a Pathogen-Associated Prenyl Pyrophosphate in Anopheles gambiae.  2013. PLOS One. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0073868

3. 鴻宇。2011. 寄生使人狂。PanSci 泛科學。

4. 葉綠舒。2016。怕蚊子叮？找隻雞來幫忙吧！Miscellaneous999

解碼瘧原蟲（Plasmodium falciparum）對青蒿素的抗性

瘧疾可能是人類最早的傳染病之一，殷商時期（3500B.C.）的甲骨文上就有「瘧」這個字。

不只在中國，歐洲也很早就知道瘧疾。古代的人總以為生病是因為接觸到不新鮮的空氣，黃帝內經認為瘧疾是「瘴氣」，歐洲將瘧疾稱為malaria，意思是mala aria，也就是污濁的空氣。當然，將瘧疾與污濁空氣作關連，可能也是因為沼澤附近瘧疾的盛行率總是居高不下吧！

到了十七世紀，歐洲人在南美洲發現了金雞納（cinchona）可以治瘧疾，終於使得這個疾病不再令人聞風喪膽；但當時由於金雞納樹皮價格極高，一開始瘧疾的治療還只是「好野人」的專利。

到了金雞納樹開始在印尼與印度大量栽種時，終於大部分的人可以得到它。金雞納的有效成分是奎寧（quinine），它不但具有解熱的效果，還可以抑制瘧原蟲代謝正鐵血紅素（ferriprotoporphyrin IX），由於瘧原蟲以血紅蛋白（hemoglobulin）為食時，釋放出正鐵血紅素；正鐵血紅素會產生自由基（reactive oxygen species），破壞瘧原蟲的細胞膜；因此瘧原蟲會以它的溶小體中的血紅素聚合酶（heme polymerase）將正鐵血紅素代謝為不具有毒性的瘧疾色素（hemazoin）。當正鐵血紅素的代謝被奎寧抑制時，瘧原蟲就會因為遭到自由基破壞細胞膜而死。

奎寧。圖片來源：wiki

到了二次世界大戰，爪哇被日本佔領促成了氯奎（chloroquine）的發明；戰後世界衛生組織展開根治瘧疾行動，包括使用蚊帳、以柴油覆蓋水溝表面使孑孓窒息、噴洒DDT滅蚊以及廣泛地使用氯奎治療瘧疾。但根治行動最後導致了抗DDT的瘧蚊以及抗氯奎的瘧原蟲出現。

直到1967年發現青蒿（一名黃花蒿，Artemisia annua）可以治療瘧疾，並由青蒿中分離出青蒿素（artemisinin），瘧疾的治療才又重獲曙光；但近年來抗青蒿素的瘧原蟲於中南半島出現，使瘧疾的治療又蒙上一層暗影。雖然近年來瘧疾的治療有長足的進步，罹患瘧疾的人數與死於瘧疾的人數都在下降中，但2013年全世界仍有約一億九千八百萬人罹患瘧疾；其中大約有五十八萬四千人死亡。其中82%的患者與90%的死亡發生在非洲，對於小孩與懷孕的婦女影響極大。因此，世界各國的科學家無不卯足了勁想找到更好的治療方法。有些科學家努力開發瘧疾的疫苗，有些則想要找出為何瘧原蟲會發展出對青蒿素的抗性，希望能抑制它。

瘧原蟲的生命週期。圖片來源：wiki

為什麼呢？原來青蒿素作用在瘧原蟲入侵紅血球的早期（見上圖左小圈），因此青蒿素對於瘧疾的治療以及病人的健康維護上是相對優於奎寧或氯奎的。

不過，要研究抗性的產生，一定要先了解究竟青蒿素是如何消滅瘧原蟲。在2012年，聖母大學（University of Notre Dame）的研究團隊發現一個小小的分子，磷脂酰肌醇-3-磷酸（PI3P, phosphatidylinositol-3-phosphate）竟然可能是導致抗藥性的關鍵。

PI3P。圖片來源：wiki

原來PI3P幫助瘧原蟲將分泌體（secretome）運輸到細胞表面。如此一來，瘧原蟲便可以感染更多紅血球。而瘧原蟲的PI3P是由磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K，phorphatidylinositol-3-kinase）合成。

最近，研究團隊發現，有一個稱為PfKelch的蛋白質可以抑制PI3K的活性。當PfKelch與PI3K結合後，PI3K就會被加上一連串的泛素（ubiquitin），然後被送去分解。

當PfKelch蛋白的第580個氨基酸因突變由半胱氨酸（cysteine）變為酪氨酸（tyrosine）時，它與PI3K的結合力變弱，於是較少的PI3K會被分解，造成PI3P的產量上昇，於是瘧原蟲就出現了對青蒿素的抗性了！研究團隊發現，只要讓瘧原蟲的PI3P增加，即使PI3K的活性沒有上昇，瘧原蟲對青蒿素的抗性還是上昇了。當PI3P上昇2.5倍時，瘧原蟲對青蒿素的抗性增加了十倍。

這個發現，應該可以幫助科學家們發明更好的抗瘧疾藥物；而最近哈佛大學與麻省理工學院的研究團隊也發現瘧原蟲需要血球表面抗原CD55讓他們可以感染紅血球。所有的這些發現，是否顯示了我們在不久的將來就可以成功地根治瘧疾呢？希望如此啦！

（本文版權為台大科教中心所有，其他單位需經同意始可轉載）

參考文獻：

蕭孟芳。2007。解讀瘧疾 擊退瘧疾：百年省思 世紀挑戰。合記。

2015/4/17. Researchers make key malarial drug-resistence finding. Science Daily.

S. Bhattacharjee et. al. 2012. Endoplasmic reticulum PI3P lipid binding targets malaria proteins to the host cell. Cell. 148. 201-212.

Alassane Mbengue et. al., 2015. A molecular mechanism of artemisinin resistance in Plasmodium falciparum malaria. Nature. doi:10.1038/nature14412

E. S. Egan et. al. 2015. A forward genetic screen identifies erythrocyte CD55 as essential for Plasmodium falciparum invasion. Science. 348 (6235): 711-714

WHO. World Malaria Report 2014 Summary.

買錯「疫苗」造成印度邊省瘧疾大爆發？

今天早上看到一個新聞，引起了筆者的注意。

這則新聞是刊登在中央通訊社，題目是：「買錯藥 印度邊省瘧疾大爆發」

（中央社記者何宏儒新德里19日專電）印度東北邊省特利普拉省防疫當局連續兩年採購不適合使用的疫苗，導致當地6月爆發瘧疾，至今已有逾3萬確診病例、近70人死亡。人數高於過去4年瘧疾死亡總數。

因為抗藥性的問題，有一些瘧疾的預防用藥在某些地區無效。

特利普拉（Tripura）省6月爆發瘧疾疫情，官方數據顯示，已有逾3萬名確診病例，近70人死亡，其中約50人為10歲以下兒童。

「印度快報」（The Indian Express）今天報導，省府防疫當局2013到2014及2014到2015會計年度採購錯誤的預防用藥，導致這波疫情爆發後不可收拾。

報導說，對省政府衛生廳兩位高階官員及1名負責虐疾防疫的官員的刑事偵查昨天啟動。

未具名的公立醫院醫生受訪說，「藥物採購主管官員犯下可怕的錯誤，害多人枉死，其中許多是幼童。若當初買到正確藥物，死者罹病後有機會康復」。

疫情在部落地區爆發，當地對外聯繫和交通不易。報導說，實際死亡和病例數可能高於官方統計。1030719

第一段提到「印度東北邊省特利普拉省防疫當局連續兩年採購不適合使用的疫苗，導致當地6月爆發瘧疾」，使筆者非常驚訝，因為瘧疾的疫苗開發一直有困難，在筆者的另一篇文章中也有提到；怎麼會2014年就已經有疫苗可以採購呢？

於是筆者去拜了一下google大神，還好印度的新聞很多都有英文的，所以很容易就查到了。

在NDTV的這篇文章裡面提到，所謂的「買錯疫苗」，是這樣的：

「The state government is being blamed by critics and Opposition for purchasing Chloramphenicol, a drug used for malaria caused due to Plasmodium Vivax. They say that almost all the cases of malaria were due to Plasmodium falciparum, the more fatal form of malaria for which Chloramphenicol is of no use.」

評論家和反對黨指責州政府購買氯黴素（chloramphenicol），對於由間日瘧原蟲（Plasmodium vivax）引起的瘧疾有效。他們說，幾乎所有的瘧疾病例都是因惡性瘧原蟲（Plasmodium falciparum）引起的，這是一種更致命的瘧疾，而氯黴素對惡性瘧是無效的。

所以不是買錯疫苗，是買錯治療的藥物。瘧疾的疫苗現在還在測試，撇開效果不佳這件事來看，就算印度政府想買，也沒有得買吧...

瘧疾的症狀。圖片來源：維基百科

發展瘧疾疫苗或許該跟獸醫們取經

瘧疾（malaria）一直都是人類的大殺手，在過去若沒有發現金雞納樹（Cinchona officinalis）樹皮中的奎寧（quinine）對瘧疾的療效，大英帝國不可能到全世界殖民，非洲的開發可能也要推遲數十年到數百年；當然，這些都不見得是壞事（1）。

奎寧（quinine）。圖片來源：維基百科。

瘧疾的病原是瘧原蟲（Plasmodium falciparum），以瘧蚊為媒介在人與人之間傳播；雖然科學家們一直都在努力要打敗瘧疾，但是近年來抗氯奎（chloroquine）的瘧原蟲的出現，使得瘧疾寑寑有捲土重來之勢。

瘧原蟲（Plasmodium falciparum）在人類的血液抹片中。
圖片來源：維基百科。

目前世界人口仍有二十億位於瘧疾疫區。根據世界衛生組織的資料，目前每年有2億人口感染瘧疾，造成每年60萬人死亡（2），也是非洲五歲以下幼兒死亡原因的第一位（佔50%）（1）。

因此，科學家們一直努力地想要開發瘧疾疫苗。但目前的開發成果卻並不令人滿意：目前正在測試中的疫苗，僅有一半的人在接種三次以後可以發展出對瘧原蟲的免疫力，而效果僅能維持半年。

針對瘧疾疫苗開發上的困難，阿得雷德大學（University of Adelaide）獸醫疾病研究者Milton McAllister說，或許那些致力於開發瘧疾疫苗的研究人員，應該要跟開發動物疫苗的研究人員好好交流一下（2）。

McAllister說，開發瘧疾疫苗的研究團隊，一直在用DNA或蛋白質片段做為抗原，想要開發出「非常安全」的疫苗；但是動物使用的抗原蟲疫苗，是以減毒的形式將完整的原蟲注入動物體內。產生的效果是非常好的：在牛與羊身上，只要打一次，就可以產生免疫力，而且至少可以維持一年。有些甚至可達成終生免疫！

而這些感染動物的原蟲，有些其實跟瘧原蟲是近親。因此，McAllister認為，如果開發瘧原蟲疫苗的團隊可以多注意一下動物疫苗的發展，或許可以加速開發出更有效的疫苗。雖然使用DNA或蛋白質片段，比使用減毒的完整原蟲當然更安全，但如果努力這麼久還是一直無法開發出真正有效的疫苗，或許該好好想想用減毒的完整原蟲來研發了。畢竟有效的疫苗才能真正去救人，不是嗎？


參考文獻：

1. Toby Musgrave and Will Musgrave. 2008. 植物帝國-七大經濟綠寶石與世界權力史。
2014/7/7. Animal vaccines should guide malaria research, experts say -- ScienceDaily