ホワイトマン氏とカリフォルニア大学バークレー校の同僚らは、まったく口に合うショウジョウバエ（少なくともカエルや鳥にとってはおいしい）を、食べたものを吐かせる可能性のある有毒な獲物に変えた。十分な量のハエは、イペカクシロップの催吐効果と同じように、人間も吐く可能性が高い。

それは、研究チームがCRISPR-Cas9遺伝子編集を用いてハエを遺伝子操作し、アメリカで最も愛されている蝶であるオオカバマダラが捕食者を阻止するのと同じように、死なずにトウワタを食べ、その毒素を隔離できるようにしたからだ。

環境へのまったく新しい適応、この場合は新しい食事と捕食者を阻止する新しい方法につながる一連の進化的突然変異を多細胞生物で再現したのはこれが初めてである。

オオカバエの幼虫と同様に、CRISPRed ショウジョウバエのウジ虫はトウワタを食べて繁殖します。トウワタには人間を含む他のほとんどの動物を殺す毒素が含まれています。ウジ虫は体内に毒素を蓄え、ハエ成虫になった後も変態を通じてその毒素を保持する。つまり、成虫の「オオカバエ」が動物を胴上げする可能性もあるということだ。

研究チームは、単一遺伝子に 3 つの CRISPR 編集を加えることでこの偉業を達成しました。これは、オオカバマダラがトウワタを食べてその毒を封じ込めるようにする遺伝子変異と同一の変更です。このオオカバマダラのこれらの突然変異により、他の昆虫が食べられない一般的な有毒植物を食べることが可能になり、これがこの蝶が北アメリカと中央アメリカ全域で繁栄する鍵となっている。

三重の遺伝子変異を持つハエは、トウワタ毒素に対する感受性が野生のショウジョウバエよりも1,000分の1であることが証明されています。キイロショウジョウバエ。

ホワイトマン氏と彼の同僚は、このジャーナルの10月2日号で実験について説明する予定です自然。

オオカバマバエ

カリフォルニア大学バークレー校の研究者らは、オオカバマダラがトウワタを何の罪もなく食べるためには、オオカバマダラのゲノムのどの遺伝的変化が必要であるかを、疑いの余地なく立証するために、これらのオオカバエを作成しました。彼らは、驚くべきことに、ショウジョウバエにオオカバエと同じ毒素耐性を与えるには、1つの遺伝子内のたった3つの一ヌクレオチド置換だけで十分であることを発見した。

「我々がやったのは、3つの部位を変更しただけで、これらのスーパーバエができた」と統合生物学の准教授であるホワイトマン氏は語った。「しかし、私にとって最も驚くべきことは、細胞株以外では決して不可能だった方法で進化の仮説を検証することができたことです。CRISPR で突然変異を作り出す能力がなければ、これを発見するのは難しかったでしょう。」

ホワイトマン氏のチームはまた、トウワタや関連する有毒植物を食べることができる他の20の昆虫グループ（蛾、カブトムシ、スズメバチ、ハエ、アブラムシ、ゾウムシ、真の昆虫など）が存在し、そのほとんどが捕食者を警告するためにオレンジ色をしていることも示した。彼らは、程度の差こそあれ、これらの植物毒の毒性効果を克服するために、同じアミノ酸の 1 つ、2 つ、または 3 つの位置で突然変異を独自に進化させました。

実際、彼のチームは、4 つの蝶と蛾の系統のそれぞれにつながる 1 つ、2 つ、または 3 つの突然変異を再構築し、それぞれの突然変異が毒素に対するある程度の耐性を与えました。オオカバマダラをトウワタの王にするためには、3 つの突然変異すべてが必要でした。

ただし、トウワタ毒素に対する耐性には代償が伴います。オオカバエは、「衝撃」感受性として知られる、揺さぶりなどの動揺からすぐには回復しません。

「これは、神経系の回復やおそらく私たちが知らない他の事柄の点で、突然変異には代償があることを示している」とホワイトマン氏は語った。「しかし、捕食者から逃れることができる利点は非常に大きいです...それが死か毒素であれば、たとえ代償があったとしても、毒素が勝つでしょう。」

植物 vs 昆虫

ホワイトマンは植物と寄生虫の間の進化の戦いに興味があり、君主がトウワタの有毒防御を打ち破ることを可能にした進化の適応に興味をそそられました。彼はまた、抵抗力のある他の昆虫（オオカバマダラよりも抵抗力が低いとはいえ）が毒素を無効にするために同様のトリックを使用するかどうかも知りたいと考えていました。

「4億年前に動植物が初めて陸地に侵入して以来、この共進化の軍拡競争が、私たちが目にする多くの動植物の多様性を生み出したと考えられています。なぜなら、ほとんどの動物は昆虫であり、ほとんどの昆虫は草食動物であるためです。植物だ」と彼は言った。

トウワタや、ジギトキシンやジゴキシンの発生源であるジギタリスを含む他のさまざまな植物には、強心配糖体と呼ばれる関連毒素が含まれており、ゾウや心臓が動いているあらゆる生き物を殺す可能性があります。ジギタリス属の植物の抽出物が何世紀にもわたって心臓病の治療に使用されてきた理由、また今日うっ血性心不全の治療にジゴキシンとジギトキシンが使用されている理由は、ジギタリス属の植物の心臓に対する効果です。

これらの植物の苦味だけでもほとんどの動物を阻止するのに十分ですが、オオカバマダラを含む少数の昆虫は阻止できません。ダナオス・プレキシプス) とその親戚である女王蝶 (ダナウス・ギリッポス）、トウワタを愛し、捕食者を撃退するためにそれを使用することを学びました。

ホワイトマン氏は、オオカバマダラは最後の氷河期後に北アメリカに侵入した熱帯の系統であり、他の動物が食べられない有毒植物を食べることができるようになった3つの突然変異によって部分的に可能となり、生存の優位性と捕食者に対する自然な防御力を与えたと指摘した。。

「オオカバマダラはすべての昆虫の中で最も毒素に耐性があり、昆虫の中で最大の個体数を誇り、世界中に生息している」と同氏は語った。

新しい論文は、突然変異が正しい順序で起こらなければならなかった、そうでなければハエは3つの別々の突然変異イベントを生き延びることはできなかったであろうことを明らかにした。

ナトリウムポンプを阻止する

これらの植物に含まれる毒は、そのほとんどがカルデノリドの一種であり、体の細胞のほとんどがナトリウムイオンを排出し、カリウムイオンを移動させるために使用するナトリウム/カリウムポンプ (Na+/K+-ATPase) を妨害します。ポンプはイオンを生成します。細胞が都合よく利用する不均衡。たとえば、神経細胞は、軸索を下降する波の中でナトリウムとカリウムのゲートを開いて、イオンの流入と流出を可能にして不均衡を平衡させることによって、細長い細胞体または軸索に沿って信号を伝達します。波が通過した後、ナトリウムポンプはイオンの不均衡を再び確立します。

ジギタリス由来のジギトキシンとトウワタの主な毒素であるウアバインがポンプをブロックし、細胞がナトリウム/カリウム勾配を確立するのを妨げます。これにより、セル内のイオン濃度が狂い、さまざまな問題が発生します。鳥や人間のような心臓を持つ動物では、心臓細胞が非常に強く鼓動し始め、心臓が機能不全に陥ります。結果は心停止による死亡です。

科学者たちは、これらの毒素がナトリウムポンプとどのように相互作用するかを何十年も前から知っていました。これらの毒素は、細胞膜から突き出たポンプタンパク質の部分に結合し、チャネルを詰まらせます。彼らは、オオカバマダラや他の昆虫が毒素の結合を防ぐために進化したタンパク質ポンプの2つの特定のアミノ酸の変化または突然変異さえも特定した。

しかし、ホワイトマンと彼の同僚は、昆虫がナトリウムポンプ内で同じ2つの同一の突然変異を14回に分けて偶然発生させたという、この説明に満足しなかった、それで話は終わった。カリフォルニア大学バークレー校のジェニファー・ダウドナ氏が考案したCRISPR-Cas9遺伝子編集が2012年に登場すると、ホワイトマン氏とその同僚、コーネル大学のアヌラグ・アグラワル氏とドイツのハンブルク大学のスザンヌ・ドブラー氏は、テンプルトン財団にこれらの変異を再現するための助成金を申請した。ショウジョウバエを観察し、カルデノリドの毒性作用に対してハエを免疫できるかどうかを確認しました。

7 年が経ち、多くの試みが失敗し、その後国立衛生研究所から 1 件の新たな助成金が出され、テキサス州ヒューストンの GenetiVision による献身的な CRISPR 活動により、彼らはついに目標を達成しました。その過程で、彼らは、最後の最も強力な耐性変異が定着する前に発生する必要がある、ナトリウムポンプにおける3番目の重要な代償変異を発見した。この代償的突然変異がなければ、ウジ虫は死んでしまいます。

彼らの発見作業では、どの変異が必要かを評価するために、ショウジョウバエ自身のナトリウムポンプ遺伝子に単一、二重、三重の変異をさまざまな順序で挿入する必要があった。ナトリウムポンプ遺伝子に既知の2つのアミノ酸変化のうち1つだけを持つ昆虫は、植物毒に対する抵抗力が最も優れていたが、神経系の問題という深刻な副作用も抱えていた。これは、人間のナトリウムポンプ変異がしばしば起こるという事実と一致している。発作と関係がある。しかし、3 番目の代償的変異は、他の 2 つの変異の悪影響を何らかの形で軽減します。

「進化したある置換は弱い耐性を与えるが、それは常に存在しており、最大の耐性を与える置換を可能にしている」と博士研究員で遺伝学者で進化生物学者のマリアンナ・カラゲオルギ氏は語った。「昆虫のこの置換により、耐性の置換が解除され、耐性の神経学的コストが削減されます。この形質は何度も進化してきたため、これがランダムではないことも示されました。」

最も耐性の高い突然変異を持つ昆虫が生き残るには、1つの代償的突然変異が必要であるという事実が、昆虫がどのように毒素耐性を進化させるかに制約を課し、21系統すべてが同じ解決策に集まった理由を説明するとホワイトマン氏は述べた。関与するタンパク質が生存にとってそれほど重要ではない場合など、他の状況では、動物は別の解決策を見つける可能性があります。

「これは、『なぜ収束は進化することがあるのに、進化しないことがあるのか​​』という疑問の答えに役立つ」とホワイトマン氏は語った。「制約は異なるのかもしれません。それは簡単な答えですが、よく考えてみると、カルデノリド耐性に関して、これら 3 つの変異により、ショウジョウバエのタンパク質が君主タンパク質に変わったのです。これはある意味驚くべきことです。」

この研究はテンプルトン財団と国立衛生研究所から資金提供を受けました。ホワイトマン氏とアグラワル氏の共著者は、共同筆頭著者のカリフォルニア大学バークレー校のマリアンティ・カラジョルギ氏と現在ニューヨーク大学のサイモン・グローエン氏です。フランスのエクス・マルセイユ大学のフィダン・スンブル氏とフェリックス・リコ氏。カリフォルニア大学バークレー校のジュリアン・ペラエス、キルステン・ヴァースター、ジェシカ・アギラール、スーザン・バーンスタイン、松永輝之、マイケル・アストゥリアン。コーネル大学のエイミー・ヘイスティングス。とドイツのハンブルク大学のスザンヌ・ドーブラー氏。