怀特曼和他在加州大学伯克利分校的同事们已经将完全可口的果蝇——至少对青蛙和鸟类来说是可口的——变成了潜在有毒的猎物，可能会导致任何吃它们的东西呕吐。如果数量足够多，苍蝇也可能会引起人类呕吐，就像吐根糖浆的催吐作用一样。

这是因为该团队使用 CRISPR-Cas9 基因编辑技术对苍蝇进行了基因改造，使其能够在不死亡的情况下吃掉马利筋，并隔离其毒素，就像美国最受欢迎的蝴蝶——帝王蝶一样，阻止捕食者。

这是第一次有人在多细胞生物体中重建了一系列进化突变，导致对环境的全新适应——在这种情况下，是一种新的饮食和阻止掠食者的新方法。

与帝王毛虫一样，经过基因编辑的果蝇蛆在马利筋上繁衍生息，马利筋含有的毒素可以杀死包括人类在内的大多数其他动物。蛆虫将毒素储存在体内，并在变成成年苍蝇后通过变态保留这些毒素，这意味着成年“帝王蝇”也可以让动物感到惊讶。

该团队通过在单个基因中进行三次 CRISPR 编辑来实现这一壮举：这些修改与允许帝王蝶以马利筋为食并隔离其毒素的基因突变相同。帝王蝶的这些突变使其能够吃掉其他昆虫不能吃的常见有毒植物，这也是蝴蝶在北美和中美洲蓬勃发展的关键。

事实证明，携带三重基因突变的果蝇对马利筋毒素的敏感度比野生果蝇低 1000 倍。黑腹果蝇。

怀特曼和他的同事将在 10 月 2 日的期刊上描述他们的实验自然。

帝王蝶

加州大学伯克利分校的研究人员创造了这些帝王蝶，以毫无疑问地确定帝王蝶基因组中的哪些基因变化对于让它们能够不受惩罚地吃马利筋是必要的。令人惊讶的是，他们发现一个基因中仅三个单核苷酸取代就足以赋予果蝇与帝王蝶相同的毒素抵抗力。

“我们所做的只是改变了三个位点，我们就制造出了这些超级苍蝇，”综合生物学副教授怀特曼说。“但对我来说，最令人惊奇的是，我们能够以一种在细胞系之外从未实现过的方式测试进化假设。如果没有使用 CRISPR 创建突变的能力，就很难发现这一点。”

怀特曼的团队还表明，其他 20 种昆虫类群能够吃马利筋和相关有毒植物，包括飞蛾、甲虫、黄蜂、苍蝇、蚜虫、象鼻虫和真正的虫子，其中大多数呈橙色以警告捕食者。在一个、两个或三个相同氨基酸位置上独立进化出突变，以在不同程度上克服这些植物毒物的毒性作用。

事实上，他的团队重建了导致四种蝴蝶和飞蛾谱系中每一种谱系的一个、两个或三个突变，每个突变都赋予了对毒素的一定抵抗力。所有这三种突变都是使帝王蝶成为马利筋之王所必需的。

然而，抵抗马利筋毒素是有代价的。帝王蝇从不安中恢复的速度并不那么快，比如摇晃——一种被称为“爆炸”敏感性的测试。

怀特曼说：“这表明突变是有代价的，在神经系统的恢复方面以及可能还有其他我们不知道的事情方面。”“但是能够逃脱捕食者的好处是如此之高......如果是死亡或毒素，即使有代价，毒素也会获胜。”

植物与昆虫

怀特曼对植物和寄生虫之间的进化之战很感兴趣，并对帝王蝶能够击败马利筋的有毒防御的进化适应很感兴趣。他还想知道其他具有抗药性的昆虫（尽管它们的抗药性均不如帝王蝶）是否使用类似的技巧来禁用这种毒素。

“自从四亿年前植物和动物首次入侵陆地以来，这种共同进化的军备竞赛被认为产生了我们所看到的许多植物和动物多样性，因为大多数动物是昆虫，而大多数昆虫是草食性的：它们吃植物，”他说。

马利筋和各种其他植物，包括毛地黄（洋地黄毒苷和地高辛的来源），都含有相关毒素（称为强心苷），可以杀死大象和任何心脏跳动的生物。毛地黄对心脏的影响是毛地黄属植物提取物几个世纪以来一直用于治疗心脏病的原因，也是当今使用地高辛和洋地黄毒苷治疗充血性心力衰竭的原因。

这些植物的苦味本身就足以吓退大多数动物，但少数昆虫，包括帝王蝶（斑马鱼）和它的亲戚，女王蝴蝶（斑鸠），学会了喜爱马利筋并用它来击退掠食者。

怀特曼指出，帝王蝶是在最后一个冰河时代后入侵北美的热带谱系，部分原因是三种突变使其能够吃掉其他动物无法吃掉的有毒植物，从而赋予其生存优势和对捕食者的天然防御。

他说：“帝王蝶对毒素的抵抗力是所有昆虫中最好的，而且其种群规模也是所有昆虫中最大的；它遍布世界各地。”

这篇新论文揭示了突变必须以正确的顺序发生，否则果蝇将永远无法在这三个独立的突变事件中幸存下来。

阻碍钠泵

这些植物中的毒物（大多数是一种强心内酯）会干扰钠/钾泵（Na+/K+-ATP酶），人体大多数细胞利用钠/钾泵将钠离子移出，将钾离子移入。泵会产生离子细胞利用不平衡来对其有利。例如，神经细胞通过沿着轴突向下移动的波打开钠和钾门，沿着其细长的细胞体或轴突传输信号，允许离子流入和流出以平衡不平衡。波通过后，钠泵重新建立离子失衡。

来自毛地黄的洋地黄毒素和乌巴因（马利筋中的主要毒素）会阻塞泵并阻止细胞建立钠/钾梯度。这会使细胞中的离子浓度失常，导致各种问题。在有心脏的动物中，如鸟类和人类，心脏细胞开始剧烈跳动，导致心脏衰竭；结果是因心脏骤停而死亡。

几十年来，科学家们已经知道这些毒素如何与钠泵相互作用：它们与泵蛋白中伸出细胞膜的部分结合，堵塞通道。他们甚至发现了帝王蝶和其他昆虫进化来防止毒素结合的蛋白质泵中的两种特定氨基酸变化或突变。

但怀特曼和他的同事们并不满足于这种简单的解释：昆虫在钠泵中巧合地在 14 次不同的时间中产生了相同的两个相同的突变，故事结束了。随着 2012 年由加州大学伯克利分校的 Jennifer Doudna 共同发明的 CRISPR-Cas9 基因编辑技术的出现，Whiteman 及其同事康奈尔大学的 Anurag Agrawal 和德国汉堡大学的 Susanne Dobler 向 Templeton 基金会申请拨款，以在果蝇，看看它们是否能让果蝇免疫卡烯内酯的毒性作用。

七年来，经过多次失败的尝试以及后来美国国立卫生研究院的一笔新资助，再加上德克萨斯州休斯顿 GenetiVision 的 CRISPR 工作，他们终于实现了目标。在此过程中，他们发现了钠泵中的第三个关键的补偿性突变，该突变必须在最后一个也是最有效的抗性突变发生之前发生。如果没有这种补偿性突变，蛆就会死亡。

他们的侦探工作需要以不同的顺序将单、双和三突变插入果蝇自身的钠泵基因中，以评估哪些突变是必要的。钠泵基因中只有两种已知氨基酸变化之一的昆虫最能抵抗植物毒物，但它们也有严重的副作用——神经系统问题——这与人类钠泵突变经常发生的事实相一致。与癫痫发作有关。然而，第三种补偿性突变以某种方式减少了其他两种突变的负面影响。

遗传学家和进化生物学家、博士后玛丽安娜·卡拉吉奥尔吉（Marianna Karageorgi）说：“进化出的一种替代物会产生较弱的抵抗力，但它始终存在，并允许产生最强抵抗力的替代物。”“昆虫的这种替代解锁了抗性替代，降低了抗性的神经成本。因为这种性状已经进化了很多次，我们也证明这不是随机的。”

怀特曼说，在具有最强抗性突变的昆虫能够生存之前，需要进行一种补偿性突变，这一事实限制了昆虫如何进化出毒素抗性，这解释了为什么所有 21 个谱系都趋于相同的解决方案。在其他情况下，例如所涉及的蛋白质对生存并不那么重要，动物可能会找到不同的解决方案。

“这有助于回答这样一个问题：‘为什么有时会出现融合，而有时却不会？’”怀特曼说。“也许限制因素有所不同。这是一个简单的答案，但如果你仔细想想，这三种突变将果蝇蛋白变成了君主蛋白，就强心内酯抗性而言。这有点了不起。”

该研究由坦普尔顿基金会和美国国立卫生研究院资助。怀特曼和阿格拉瓦尔的共同作者是加州大学伯克利分校的玛丽安蒂·卡拉吉奥尔吉（Marianthi Karageorgi）和现就职于纽约大学的西蒙·格罗恩（Simon Groen）；法国艾克斯-马赛大学的 Fidan Sumbul 和 Felix Rico；加州大学伯克利分校的 Julianne Pelaez、Kirsten Verster、Jessica Aguilar、Susan Bernstein、Teruyuki Matsunaga 和 Michael Astourian；康奈尔大学的艾米·黑斯廷斯；和德国汉堡大学的 Susanne Dobler。