CRISPR蝇将蝴蝶书中的叶子带走 以利用捕食者阻止毒素

由加州大学伯克利分校的科学家领导的国际研究人员团队已经使用CRISPR-Cas9基因组编辑技术将果蝇转变成潜在有毒的猎物，这种果蝇可能会给青蛙和鸟类带来零食，而果蝇可能代表青蛙和鸟类的零食。吞噬了他们(包括人类)以呕吐。

由加州大学伯克利分校的首席研究员兼副教授诺亚·怀特曼(Noah K.Whiteman)博士带领的研究小组，将帝王蝶(Danaus plexippus)携带的单一基因中的三个相同突变引入果蝇中，这些突变可以吃和吃。将有毒植物乳草隔离成毛毛虫，然后保留一些毒素作为成年蝴蝶，以阻止天敌。乳草是一种剧毒植物，会杀死包括人类在内的大多数动物。但是，像帝王蝶一样，由CRISPR设计的果蝇幼虫在变态为现在有毒的成年“帝王苍蝇”时，同样能够吃乳草并保留植物的毒素。至关重要的是，突变必须以正确的顺序发生，否则果蝇将无法幸免于三个单独的突变事件。

这项工作发表在《自然》杂志上，这是任何人第一次在多细胞生物中重建一系列进化突变，从而导致对环境的全新适应，在这种情况下，这是一种新的饮食和一种新的威慑捕食者的方式。美国，法国和德国的Whiteman及其同事在一篇题为“ 基因组编辑追溯了帝王蝶中抗药性的进化 ”的论文中描述了他们的研究。

乳草和其他各种植物，包括毛地黄(一种用于治疗心力衰竭的洋地黄毒蛋白和地高辛的来源)，都含有相关的致命性强心苷毒素。尽管这些植物的苦味本身具有威慑力，但也有少数昆虫物种，包括帝王蝶及其亲缘皇后蝶(Danaus gilippus)，在马利筋上繁衍后代，并用它来驱赶天敌。帝王是一种热带昆虫的后代，后者在上个冰河时代之后进入北美，并携带三种变种使其可以吃马利筋，这使其既具有生存优势，又可以天然抵抗天敌。“君主抵抗所有昆虫中最好的毒素，并且它是所有昆虫中最大的种群。它遍布全球。”怀特曼解释说。

帝王蝶(丹尼亚斯plexippus)成人。[埃伦·伍兹摄。康奈尔大学版权Anurag Agrawal]

怀特曼(Whiteman)对植物与寄生虫之间的进化斗争感兴趣，尤其是对使君主能够幸免于乳草毒素中的进化适应。这种兴趣包括是否也比君主抵抗力强的其他昆虫对乳草的抵抗力也使用类似的机制来禁用植物的毒素。“自从动植物首次入侵土地4亿年前以来，人们就认为这种协同进化的军备竞赛引起了我们所看到的许多动植物多样性，因为大多数动物是昆虫，而大多数昆虫是草食性的：它们食用植物。”他说。

这些有毒植物中的大多数毒物是一种烯属内酯类，会干扰钠/钾泵(Na + / K + -ATPase)，而我们大多数身体细胞都使用钠/钾泵将钠离子和钾离子移出。产生离子失衡，这对于沿神经细胞传输电信号至关重要。毛地黄中的Digitoxin和乳草中的哇巴因毒素会阻塞钠泵以及离子通道，从而阻止细胞建立钠/钾梯度。这会破坏离子平衡，从而导致心脏细胞开始跳动，从而使心脏衰竭，并导致心脏骤停导致死亡。

科学家们在蛋白质泵中发现了两个特定的氨基酸突变，帝王和其他昆虫已经进化出这种突变来阻止毒素结合。但是怀特曼和他的同事对不同的昆虫在钠泵中巧合地产生相同的两个相同突变感到不满意-分别进行了14次。为了了解突变可能如何进化，他们利用CRISPR-Cas9基因组编辑技术改造了果蝇中的这些相同突变，以查看它们是否也使果蝇对烯醇内酯的毒性作用免疫。该团队在果蝇的单个基因中进行了三个独立的CRISPR编辑，与使君主蝴蝶对马利筋免疫并能够隔离其毒素的那些相同。他们惊奇地发现，一个基因中的这三个单核苷酸取代足以使果蝇具有与君主相同的抗毒素性。研究表明，与野生型果蝇相比，工程果蝇对马利筋毒素的敏感性低1,000倍。

实验涉及以不同顺序将单，双和三重突变插入果蝇自身的钠泵基因中。这样，他们可以评估哪些突变是必不可少的。结果表明，只有两个已知氨基酸改变中的一种具有更好的抗植物毒性的昆虫，但它们也显示出严重的神经系统副作用。有趣的是，人类的钠泵突变通常与癫痫发作有关。果蝇研究还表明，第三个补偿性突变以某种方式减少了其他两个突变的负面影响。没有这种补偿突变，苍蝇幼虫死亡。

有趣的是，对马利筋毒素的抵抗确实是有代价的。“帝王蝇”从摇动中恢复得不那么快，这种测试被称为“爆炸”敏感性，就像野生型蝇一样。怀特曼说：“从神经系统的恢复以及我们可能不知道的其他事情来看，这表明突变是有代价的。” “但是能够逃脱捕食者的好处是如此之高……即使是死亡或毒素，即使付出代价，毒素也将获胜。”

怀特曼的研究小组还显示，其他20种昆虫群，包括飞蛾，甲虫，黄蜂，苍蝇，蚜虫和象鼻虫，能够吃马利筋草和相关的有毒植物，它们在一个，两个或三个相同的氨基酸中独立发生了突变。酸性位置，使这些动物能够在不同程度上克服植物毒素的毒性作用。这些昆虫大多数具有橙色，作为对捕食者的警告。当研究小组重建一个，两个或三个突变导致四个蝴蝶和蛾类的每一个时，他们发现虽然每个突变都赋予了对毒素的某种抗性，但所有三个突变对于使帝王蝶具有最强的抵抗力都是必需的。“进化出来的替代品赋予了抵抗力，但是它总是存在的，并且允许进行替代，从而产生最大的抗药性。”研究第一作者，遗传学家和进化生物学家玛丽安娜·卡格奥尔基(Marianna Karageorgi)说道。昆虫中的这种取代解锁了抗性替代，从而降低了抗性的神经系统成本。因为这种特征已经进化了很多次，所以我们也证明这不是随机的。”

怀特曼说，具有最强抗性突变的昆虫生存所需要的一个补偿性突变，代表了昆虫如何发展抗毒素性的有效限制，并解释了为什么所有21个谱系都收敛于同一溶液。在其他情况下，例如所涉及的蛋白质对生存不是很关键，动物可能会找到不同的解决方案。

这组作者说：“我们的研究阐明了帝王蝶如何发展出对一类植物毒素的抵抗力，最终变得令人不快，并改变了生态群落中物种相互作用的性质。” “尽管在微生物中已经确定了通往适应峰的突变途径，但据我们所知，这是在多细胞生物体中首次对多步适应性行走进行体内验证，并说明了遵循简单规则如何进化复杂的生物特征。 ”

怀特曼说：“这有助于回答一个问题，为什么融合有时会演变，而其他时候却没有?” “也许约束条件各不相同。这是一个简单的答案，但如果考虑一下，就心烯内酯抗性而言，这三个突变将果蝇蛋白转变为君主蛋白。真是太了不起了。”