Whiteman과 그의 동료들은 완벽하게 입맛에 맞는 초파리를 적어도 개구리와 새에게는 입맛에 맞는 잠재적으로 유독한 먹이로 바꾸어 먹은 모든 것이 토하게 할 수 있습니다.충분한 양의 파리는 ipecac 시럽의 구토 효과와 마찬가지로 인간에게도 토할 가능성이 높습니다.

그 이유는 팀이 CRISPR-Cas9 유전자 편집을 사용하여 파리를 유전자 조작하여 죽지 않고 유즙을 먹을 수 있고 독소를 격리할 수 있도록 했기 때문입니다. 마치 미국에서 가장 사랑받는 나비인 제왕나비가 포식자를 막는 것처럼 말입니다.

이는 다세포 유기체에서 환경에 대한 완전히 새로운 적응으로 이어지는 일련의 진화적 돌연변이를 재현한 최초의 사례입니다. 이 경우에는 새로운 식단과 포식자를 억제하는 새로운 방법이 있습니다.

제왕나비 애벌레와 마찬가지로 CRISPRed 초파리 구더기는 인간을 포함한 대부분의 다른 동물을 죽이는 독소가 포함된 유액을 먹고 번성합니다.구더기는 몸에 독소를 저장하고 성체 파리로 변한 후 변태를 통해 독소를 유지합니다. 이는 성체 "제왕파리"가 동물을 업척하게 만들 수도 있음을 의미합니다.

팀은 단일 유전자에서 세 가지 CRISPR 편집을 수행하여 이 위업을 달성했습니다. 즉, 제왕나비가 유즙을 먹고 그 독을 격리할 수 있게 하는 유전적 돌연변이와 동일한 수정입니다.제왕나비의 이러한 돌연변이로 인해 다른 곤충이 먹을 수 없는 일반적인 독성 식물을 먹을 수 있게 되었으며 이는 북아메리카와 중앙아메리카 전역에 걸쳐 나비가 번성하는 열쇠가 되었습니다.

삼중 유전자 돌연변이를 가진 파리는 야생 초파리보다 유즙 독소에 1,000배 덜 민감한 것으로 입증되었습니다.초파리 melanogaster.

Whiteman과 그의 동료들은 저널 10월 2일호에서 그들의 실험을 설명할 예정입니다.자연.

모나크 파리

UC Berkeley 연구자들은 의심의 여지 없이 제왕나비 게놈의 유전적 변화가 유액을 아무런 처벌 없이 먹을 수 있도록 하기 위해 필요하다는 사실을 입증하기 위해 이러한 제왕나비를 만들었습니다.놀랍게도 그들은 한 유전자에 단 3개의 단일 뉴클레오티드 치환만이 초파리에게 제왕나비와 동일한 독소 저항성을 부여하기에 충분하다는 사실을 발견했습니다.

통합생물학 부교수인 Whiteman은 "우리가 한 일은 단지 세 곳의 장소를 변경한 것 뿐이고 이러한 초파리를 만든 것"이라고 말했습니다."그러나 나에게 가장 놀라운 점은 세포주 밖에서는 결코 불가능했던 방식으로 진화론적 가설을 테스트할 수 있었다는 것입니다. CRISPR로 돌연변이를 생성하는 능력이 없었다면 이를 발견하는 것은 어려웠을 것입니다."

Whiteman의 팀은 또한 나방, 딱정벌레, 말벌, 파리, 진딧물, 바구미 및 진짜 벌레를 포함하여 유즙 및 관련 독성 식물을 먹을 수 있는 20가지 다른 곤충 그룹이 있음을 보여주었습니다. 이들 중 대부분은 포식자에게 경고하기 위해 주황색을 뽐냅니다.다양한 정도로 이러한 식물 독의 독성 효과를 극복하기 위해 동일한 아미노산 위치 중 1개, 2개 또는 3개에서 독립적으로 진화된 돌연변이입니다.

실제로 그의 팀은 4개의 나비와 나방 계통을 각각 초래한 1개, 2개 또는 3개의 돌연변이를 재구성했으며, 각 돌연변이는 독소에 대해 어느 정도 저항성을 부여했습니다.제왕나비를 유즙의 왕으로 만들기 위해서는 세 가지 돌연변이가 모두 필요했습니다.

그러나 유즙 독소에 대한 저항성은 대가를 치르게 됩니다.제왕파리는 흔들리는 등의 당황한 상황에서 빨리 회복하지 못합니다. 이 테스트를 "뱅" 민감도라고 합니다.

"이것은 신경계의 회복과 아마도 우리가 모르는 다른 것들의 측면에서 돌연변이에 대한 비용이 있음을 보여줍니다"라고 Whiteman은 말했습니다."하지만 포식자로부터 벗어날 수 있다는 이점은 너무나 높습니다. 죽음이나 독소라면 비용이 들더라도 독소가 승리할 것입니다."

식물 대 곤충

Whiteman은 식물과 기생충 사이의 진화적 전투에 관심이 있으며 군주가 유액의 독성 방어를 이길 수 있게 해주는 진화적 적응에 흥미를 느꼈습니다.그는 또한 저항력이 있는 다른 곤충들(모두 제왕나비보다 저항력은 덜하지만)이 독소를 비활성화하기 위해 비슷한 방법을 사용하는지 알고 싶었습니다.

"4억년 전 식물과 동물이 처음으로 땅을 침략한 이래로 이러한 공진화 군비 경쟁은 우리가 보는 많은 식물과 동물의 다양성을 가져온 것으로 생각됩니다. 왜냐하면 대부분의 동물은 곤충이고 대부분의 곤충은 초식 동물이기 때문입니다.식물"이라고 말했다.

디기톡신과 디곡신의 공급원인 디기탈리스를 포함한 유즙과 다양한 기타 식물에는 심장 배당체라고 불리는 관련 독소가 포함되어 있으며, 이는 코끼리와 심장이 뛰는 모든 생물을 죽일 수 있습니다.심장에 대한 디기탈리스의 효과는 디기탈리스 속의 식물 추출물이 수세기 동안 심장 질환을 치료하는 데 사용되어 왔으며 오늘날 울혈성 심부전 치료에 디곡신과 디지톡신이 사용되는 이유입니다.

이 식물의 쓴맛만으로도 대부분의 동물을 억제할 수 있지만 제왕나비를 포함한 소수의 곤충은다나우스 플렉시푸스)와 그 친척인 여왕나비(다나우스 길리푸스), 유액을 사랑하는 법을 배웠고 그것을 사용하여 포식자를 격퇴했습니다.

Whiteman은 군주가 마지막 빙하기 이후 북미를 침략한 열대 혈통이며 부분적으로는 다른 동물이 먹을 수 없는 독성 식물을 먹을 수 있는 세 가지 돌연변이에 의해 가능해 생존 우위와 포식자에 대한 자연적인 방어력을 제공한다고 지적했습니다..

"제왕나비는 모든 곤충 중에서 독소에 가장 잘 저항하며, 그 어떤 곤충보다도 개체수 규모가 가장 큽니다. 이 곤충은 전 세계에 걸쳐 있습니다."라고 그는 말했습니다.

새로운 논문은 돌연변이가 올바른 순서로 발생해야 함을 보여줍니다. 그렇지 않으면 파리는 세 가지 별도의 돌연변이 사건에서 결코 살아남지 못했을 것입니다.

나트륨 펌프 방해

대부분 카르데놀리드의 일종인 이 식물의 독은 신체 세포의 대부분이 나트륨 이온을 밖으로 이동시키고 칼륨 이온을 안으로 이동시키는 데 사용하는 나트륨/칼륨 펌프(Na+/K+-ATPase)를 방해합니다. 펌프는 이온을 생성합니다.세포가 유리하게 사용하는 불균형.예를 들어, 신경 세포는 축삭 아래로 이동하는 파동에서 나트륨 및 칼륨 관문을 열어서 불균형을 평형화하기 위해 이온이 들어오고 나갈 수 있도록 함으로써 길쭉한 세포체 또는 축삭을 따라 신호를 전송합니다.파동이 지나간 후 ​​나트륨 펌프는 이온 불균형을 다시 설정합니다.

디기탈리스의 디지톡신과 유액의 주요 독소인 우아바인은 펌프를 차단하고 세포가 나트륨/칼륨 구배를 설정하는 것을 방지합니다.이로 인해 세포의 이온 농도가 엉망이 되어 모든 종류의 문제가 발생합니다.새나 인간처럼 심장이 있는 동물의 경우 심장 세포가 너무 강하게 뛰기 시작하여 심장 기능이 저하됩니다.그 결과는 심장 마비로 인한 사망입니다.

과학자들은 이러한 독소가 나트륨 펌프와 어떻게 상호 작용하는지 수십 년 동안 알고 있었습니다. 즉, 세포막을 통해 튀어나온 펌프 단백질 부분과 결합하여 채널을 막는 것입니다.그들은 심지어 제왕나비와 다른 곤충들이 독소가 결합하는 것을 방지하기 위해 진화한 단백질 펌프에서 두 가지 특정 아미노산 변화 또는 돌연변이를 확인했습니다.

그러나 Whiteman과 그의 동료들은 곤충이 우연히 나트륨 펌프에서 동일한 두 개의 동일한 돌연변이를 14번이나 발생시켰다는 단지 설명에 만족하지 않았습니다.2012년 UC Berkeley의 Jennifer Doudna, Whiteman과 코넬 대학의 Anurag Agrawal, 독일 함부르크 대학의 Susanne Dobler가 공동 발명한 CRISPR-Cas9 유전자 편집의 출현으로 이러한 돌연변이를 재현하기 위한 보조금을 Templeton 재단에 신청했습니다.초파리를 관찰하고 초파리가 카르데놀리드의 독성 효과에 면역이 되는지 확인합니다.

7년 동안 많은 시도가 실패했고 나중에 국립 보건원(National Institutes of Health)의 새로운 보조금 하나가 텍사스 휴스턴에 있는 GenetiVision의 헌신적인 CRISPR 작업과 함께 마침내 목표를 달성했습니다.그 과정에서 그들은 마지막이자 가장 강력한 저항성 돌연변이가 발생하기 전에 발생해야 하는 나트륨 펌프의 세 번째 중요한 보상 돌연변이를 발견했습니다.이 보상 돌연변이가 없으면 구더기가 죽었습니다.

그들의 탐정 작업에서는 어떤 돌연변이가 필요한지 평가하기 위해 다양한 순서로 초파리의 나트륨 펌프 유전자에 단일, 이중 및 삼중 돌연변이를 삽입해야 했습니다.나트륨 펌프 유전자에 알려진 두 가지 아미노산 변화 중 하나만 있는 곤충은 식물 독에 가장 잘 저항했지만 심각한 부작용(신경계 문제)도 있었습니다. 이는 인간의 나트륨 펌프 돌연변이가 흔히 발생한다는 사실과 일치합니다.발작과 관련이 있습니다.그러나 세 번째 보상 돌연변이는 다른 두 돌연변이의 부정적인 영향을 어떻게든 감소시킵니다.

유전학자이자 진화생물학자인 박사후 연구원인 마리아나 카라게오르기(Marianna Karageorgi)는 "진화한 하나의 치환은 약한 저항성을 부여하지만 항상 존재하며 가장 큰 저항성을 부여할 치환을 허용합니다"라고 말했습니다."곤충의 이러한 대체는 저항성 대체의 잠금을 해제하여 저항성으로 인한 신경학적 비용을 줄입니다. 이 특성은 여러 번 진화했기 때문에 이것이 무작위가 아니라는 것도 보여주었습니다."

가장 저항성이 높은 돌연변이를 가진 곤충이 생존하기 전에 하나의 보상 돌연변이가 필요하다는 사실은 곤충이 독소 저항성을 어떻게 진화시킬 수 있는지에 대한 제약을 가해 21개 계통 모두가 동일한 솔루션에 수렴되는 이유를 설명한다고 Whiteman은 말했습니다.관련된 단백질이 생존에 그다지 중요하지 않은 경우와 같은 다른 상황에서는 동물이 다른 해결책을 찾을 수 있습니다.

"이것은 왜 수렴이 때때로 진화하지만 다른 때에는 진화하지 않는가?'라는 질문에 답하는 데 도움이 됩니다"라고 Whiteman은 말했습니다."어쩌면 제약 조건은 다를 수 있습니다. 그것은 간단한 대답이지만 생각해 보면 이 세 가지 돌연변이가 초파리 단백질을 카르데놀리드 저항성과 관련하여 군주 단백질로 전환시켰습니다. 정말 놀라운 일입니다."

이 연구는 템플턴 재단(Templeton Foundation)과 국립보건원(National Institutes of Health)의 자금 지원을 받았습니다.Whiteman 및 Agrawal의 공동 저자는 UC Berkeley의 Marianthi Karageorgi와 현재 뉴욕 대학교에 있는 Simon Groen입니다.프랑스 Aix-Marseille Université의 Fidan Sumbul과 Felix Rico;UC Berkeley의 Julianne Pelaez, Kirsten Verster, Jessica Aguilar, Susan Bernstein, Teruyuki Matsunaga 및 Michael Astourian;코넬대학교의 에이미 헤이스팅스;그리고 독일 함부르크 대학교의 Susanne Dobler가 있습니다.