研究人员利用 CRISPR 为“帝王蝇”赋予超能力——原因如下

每年，帝王蝶都会从加拿大北部迁徙到墨西哥湾沿岸。科学家们对这次神秘旅程的几个方面都很着迷，从它如何影响帝王蝶的发育，到这种有翅膀的小动物最终会去往何处。 《自然》杂志上的一项新研究有助于解释这次神秘旅程的一个方面——这种昆虫如何进化出使自己变成有毒物质的能力，从而避免在途中被吃掉。

帝王蝶在幼虫时期会咀嚼马利筋。这种食物会使大多数动物患病甚至死亡；这种植物会产生强心苷，使细胞用来调节盐含量的钠泵失效。对于有心脏的生物来说，这可能会导致心脏骤停。但帝王蝶从不消化毒素。相反，在一个称为隔离的过程中，它们在结茧、成熟为蝴蝶和飞翔时将强心苷带入体内。马利筋植物进化出毒性正是为了让大多数昆虫不会吃它们，因此能够吸收它们的能量使橙色蝴蝶——以及大约 20 种其他昆虫——能够在没有太多竞争的情况下获得食物来源。这也使它们对潜在的捕食者具有毒性。

携带毒药至少会对大多数物种产生一定影响，抵抗毒素的影响会消耗它们本可用于其他事情（如进食和繁殖）的能量。帝王蝶比其他蝴蝶更能应对乳草，而让果蝇拥有同样的遗传抗性可能有助于揭示其中的原因。

研究人员利用 CRISPR 将三种突变编辑到已知控制钠泵的单个果蝇基因中。其中两种突变可阻止强心苷与钠泵结合，此前已在帝王蝶身上进行过研究。但这两种突变使果蝇更容易癫痫发作，并很快死亡。添加第三个之前未发现的突变有助于弥补前两种突变带来的不良影响。

通过逐一测试突变，“他们能够真正重现进化的轨迹”，芝加哥大学生态学家马库斯·克朗福斯特说。这是因为突变必须按照特定的顺序发生，以避免在赋予苍蝇毒素隔离超能力之前杀死它们。

发生三次突变的“帝王蝶”对马利筋毒素的抵抗力与帝王蝶一样强，而且比野生同类低 1000 倍。它们还会从幼虫阶段（不幸的是，果蝇幼虫是蛆而不是毛毛虫）到成年期携带毒素。这是首次有人使用 CRISPR 在活体多细胞生物中逐步重现特定性状（在本例中为抗毒素性）的发育过程来研究进化。但研究帝王蝶可能无法让我们了解这个过程如何在所有 20 种具有这种性状的昆虫中进化，彼得·安多法托 (Peter Andolfatto) 说，他在今年 8 月发表了一篇论文，使用不同的基因编辑技术在果蝇中重现了同样的突变。

“这三个位点在多个昆虫目中以非常相似的方式进化，”他说，但他的团队的研究发现突变的顺序并不总是相同的。“帝王蝶的进化方式可能并不代表其他群体的进化方式。”

这项研究不仅弄清楚了这三种突变如何协同作用，让帝王蝇能够食用原本有毒的马利筋。“它还展示了‘帝王蝇’自身变得有毒的必要第一步，”哈佛大学研究蝴蝶的生物学家娜奥米·皮尔斯在给《大众科学》的一封电子邮件中写道。“这是一篇真正精彩的论文。”

但加州大学生物学家、研究作者诺亚·怀特曼 (Noah Whiteman) 表示，尽管如此，这也是对使用 CRISPR 改造动物的一个警示。即使发生了三种突变，果蝇对外部运动也非常敏感：如果你敲击它们飞行的试管，它们会掉下来，需要近两分钟才能再次飞起来。怀特曼和他的团队正在研究为什么帝王蝶不会出现这种情况。他说，果蝇可能有脱靶突变，这意味着 CRISPR 除了编辑他的团队试图调整的基因外，还编辑了一些尚未确定的随机基因。这是一个鲜明的提醒，我们距离用基因工程解决我们自己物种的所有问题还有很长的路要走。怀特曼说，尽管它们具有以乳草为食的惊人能力，“但这些果蝇非常病态。”

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