懷特曼和他在加州大學柏克萊分校的同事已經將完全可口的果蠅——至少對青蛙和鳥類來說是可口的——變成了潛在有毒的獵物，可能會導致任何吃它們的東西嘔吐。如果數量足夠多，蒼蠅也可能會引起人類嘔吐，就像吐根糖漿的催吐作用一樣。

這是因為該團隊使用CRISPR-Cas9 基因編輯技術對蒼蠅進行了基因改造，使其能夠在不死亡的情況下吃掉馬利筋，並隔離其毒素，就像美國最受歡迎的蝴蝶一樣——帝王蝶一樣，阻止掠食者。

這是第一次有人在多細胞生物體中重建了一系列進化突變，導致對環境的全新適應——在這種情況下，是一種新的飲食和阻止掠食者的新方法。

與帝王毛蟲一樣，經過基因編輯的果蠅蛆在馬利筋上繁衍生息，馬利筋含有的毒素可以殺死包括人類在內的大多數其他動物。蛆蟲將毒素儲存在體內，並在變成成年蒼蠅後透過變態保留這些毒素，這意味著成年「帝王蠅」也可以讓動物感到驚訝。

該團隊透過在單一基因中進行三次 CRISPR 編輯來實現這一壯舉：這些修改與允許帝王蝶以馬利筋為食並隔離其毒素的基因突變相同。帝王蝶的這些突變使其能夠吃掉其他昆蟲不能吃的常見有毒植物，這也是蝴蝶在北美和中美洲蓬勃發展的關鍵。

事實證明，攜帶三重基因突變的果蠅對馬利筋毒素的敏感度比野生果蠅低 1000 倍。黑腹果蠅。

懷特曼和他的同事將在 10 月 2 日的期刊上描述他們的實驗自然。

帝王蝶

加州大學柏克萊分校的研究人員創造了這些帝王蝶，以毫無疑問地確定帝王蝶基因組中的哪些基因變化對於讓它們能夠不受懲罰地吃馬利筋是必要的。令人驚訝的是，他們發現一個基因中僅三個單核苷酸取代就足以賦予果蠅與帝王蝶相同的毒素抵抗力。

「我們所做的只是改變了三個位點，我們就製造出了這些超級蒼蠅，」綜合生物學副教授懷特曼說。「但對我來說，最令人驚訝的是，我們能夠以一種在細胞系之外從未實現過的方式測試進化假設。如果沒有使用CRISPR 創建突變的能力，就很難發現這一點。 」

懷特曼的團隊還表明，其他20 種昆蟲類群能夠吃馬利筋和相關有毒植物，包括飛蛾、甲蟲、黃蜂、蒼蠅、蚜蟲、象鼻蟲和真正的蟲子，其中大多數呈現橙色以警告捕食者。

事實上，他的團隊重建了導致四種蝴蝶和飛蛾譜系中每一種譜系的一個、兩個或三個突變，每個突變都賦予了對毒素的一定抵抗力。這三種突變都是使帝王蝶成為馬利筋之王所必需的。

然而，抵抗馬利筋毒素是有代價的。帝王蠅從不安中恢復的速度並不那麼快，例如搖晃——一種被稱為「爆炸」敏感性的測試。

懷特曼說：“這表明突變是有代價的，在神經系統的恢復方面以及可能還有其他我們不知道的事情方面。”“但是能夠逃脫捕食者的好處是如此之高......如果是死亡或毒素，即使有代價，毒素也會獲勝。”

植物與昆蟲

懷特曼對植物和寄生蟲之間的進化之戰很感興趣，並對帝王蝶能夠擊敗馬利筋的有毒防禦的進化適應很感興趣。他還想知道其他具有抗藥性的昆蟲（儘管它們的抗藥性均不如帝王蝶）是否使用類似的技巧來禁用這種毒素。

「自從四億年前植物和動物首次入侵陸地以來，這種共同進化的軍備競賽被認為產生了我們所看到的許多植物和動物多樣性，因為大多數動物是昆蟲，而大多數昆蟲是草食性的：它們吃植物，」他說。

馬利筋和各種其他植物，包括毛地黃（洋地黃毒苷和地高辛的來源），都含有相關毒素（稱為強心苷），可以殺死大象和任何心臟跳動的生物。毛地黃對心臟的影響是毛地黃屬植物萃取物幾個世紀以來一直用於治療心臟病的原因，也是當今使用地高辛和洋地黃毒苷治療充血性心臟衰竭的原因。

這些植物的苦味本身就足以嚇退大多數動物，但少數昆蟲，包括帝王蝶（斑馬魚）和它的親戚，女王蝴蝶（斑鳩），學會了喜愛馬利筋並用它來擊退掠食者。

懷特曼指出，帝王蝶是在最後一個冰河時期後入侵北美的熱帶譜系，部分原因是三種突變使其能夠吃掉其他動物無法吃掉的有毒植物，從而賦予其生存優勢和對捕食者的天然防禦。

他說：“帝王蝶對毒素的抵抗力是所有昆蟲中最好的，而且其種群規模也是所有昆蟲中最大的；它遍布世界各地。”

這篇新論文揭示了突變必須以正確的順序發生，否則果蠅將永遠無法在這三個獨立的突變事件中倖存下來。

阻礙鈉泵

這些植物中的毒物（大多是強心內酯）會幹擾鈉/鉀幫浦（Na+/K+-ATP酶），人體大多數細胞利用鈉/鉀幫浦將鈉離子移出，將鉀離子移入。幫浦會產生離子細胞利用不平衡來對其有利。例如，神經細胞透過沿著軸突向下移動的波打開鈉和鉀門，沿著其細長的細胞體或軸突傳輸訊號，允許離子流入和流出以平衡不平衡。波通過後，鈉泵重新建立離子失衡。

來自毛地黃的洋地黃毒素和烏巴因（馬利筋中的主要毒素）會阻塞幫浦並阻止細胞建立鈉/鉀梯度。這會使細胞中的離子濃度失常，導致各種問題。在有心臟的動物中，如鳥類和人類，心臟細胞開始劇烈跳動，導致心臟衰竭；結果是因心臟驟停而死亡。

幾十年來，科學家已經知道這些毒素如何與鈉泵相互作用：它們與泵蛋白中伸出細胞膜的部分結合，堵塞通道。他們甚至發現了帝王蝶和其他昆蟲進化來防止毒素結合的蛋白質幫浦中兩種特定的氨基酸變化或突變。

但懷特曼和他的同事們並不滿足於這種簡單的解釋：昆蟲在鈉泵中巧合地在 14 次不同的時間中產生了相同的兩個相同的突變，故事結束了。隨著2012 年由加州大學柏克萊分校的Jennifer Doudna 共同發明的CRISPR-Cas9 基因編輯技術的出現，Whiteman 及其同事康奈爾大學的Anurag Agrawal 和德國漢堡大學的Susanne Dobler 向Templeton 基金會申請撥款，以在果蠅，看看它們是否能讓果蠅免疫卡烯內酯的毒性作用。

七年來，經過多次失敗的嘗試以及後來美國國立衛生研究院的一筆新資助，再加上德克薩斯州休斯頓 GenetiVision 的 CRISPR 工作，他們終於實現了目標。在此過程中，他們發現了鈉泵中的第三個關鍵的補償性突變，該突變必須在最後一個也是最有效的抗性突變發生之前發生。如果沒有這種補償性突變，蛆就會死亡。

他們的偵探工作需要以不同的順序將單一、雙和三突變插入果蠅自身的鈉泵基因中，以評估哪些突變是必要的。鈉泵基因中只有兩種已知氨基酸變化之一的昆蟲最能抵抗植物毒物，但它們也有嚴重的副作用——神經系統問題——這與人類鈉泵突變經常發生的事實相一致。有關。然而，第三種補償性突變以某種方式減少了其他兩種突變的負面影響。

遺傳學家和進化生物學家、博士後瑪麗安娜·卡拉吉奧爾吉（Marianna Karageorgi）說：「進化出的一種替代物會產生較弱的抵抗力，但它始終存在，並允許產生最強抵抗力的替代物。“昆蟲的這種替代解鎖了抗性替代，降低了抗性的神經成本。因為這種性狀已經進化了很多次，我們也證明這不是隨機的。”

懷特曼說，在具有最強抗性突變的昆蟲能夠生存之前，需要進行一種補償性突變，這一事實限制了昆蟲如何進化出毒素抗性，這解釋了為什麼所有21 個譜係都趨於相同的解決方案。在其他情況下，例如所涉及的蛋白質對生存並不那麼重要，動物可能會找到不同的解決方案。

「這有助於回答這樣一個問題：『為什麼有時會出現融合，有時卻不會？』」懷特曼說。「也許限制因素有所不同。這是一個簡單的答案，但如果你仔細想想，這三種突變將果蠅蛋白變成了君主蛋白，就強心內酯抗性而言。這有點了不起。 」

這項研究由坦普爾頓基金會和美國國立衛生研究院資助。懷特曼和阿格拉瓦爾的共同作者是加州大學柏克萊分校的瑪麗安蒂·卡拉吉奧爾吉（Marianthi Karageorgi）和現任職於紐約大學的西蒙·格羅恩（Simon Groen）；法國艾克斯-馬賽大學的 Fidan Sumbul 和 Felix Rico；加州大學柏克萊分校的 Julianne Pelaez、Kirsten Verster、Jessica Aguilar、Susan Bernstein、Teruyuki Matsunaga 和 Michael Astourian；康乃爾大學的艾米‧黑斯廷斯；和德國漢堡大學的 Susanne Dobler。