Sylvain CORDIER/GAMMA-RAPHO
撰文 | 楊小靈 （普林斯頓生態演化系博士生）
責編 | 湯佩蘭
「美麗的東西總是有毒的」，這句話放在帝王蝶身上可不會錯。帝王蝶原產於北美，黑橙相間，身形碩大；不僅如此，其還是世界上唯一能進行長距離遷徙的蝴蝶，由加拿大至墨西哥將近5000公里，成千上萬隻蝴蝶一同展翅飛旋，實在壯觀。
話說 「適千里者，三月聚糧」，可誰知帝王蝶的幼蟲竟然吃且僅吃一種叫作「乳草」（milkweed）的有毒植物。乳草分泌的毒素叫 「強心甾」 （cardenolide），專門和動物體內的鈉鉀泵結合，量少時可治療心功能不全，量大則致命，人類誤食通常會非條件反射地嘔吐出來。
鈉鉀泵，顧名思義，是維持細胞內外鈉鉀離子濃度穩定的重要轉運酶，發現它的丹麥科學家斯科（Skou）還於1997年獲得了諾貝爾化學獎。鈉鉀泵被強心甾 「結合」之後就不能正常工作了，進而滲透壓失衡細胞破裂，後果有多嚴重可想而知。乳草就憑藉著這一強大的 「化學武器」 驅散覬覦自己的昆蟲們。
但帝王蝶的幼蟲卻視若無睹，照吃不誤。這還不算，帝王蝶還能將乳草的毒素儲存在自己的身體里。吃頓飯的工夫自己也有了 「化學武器」 ，這一招可嚇得捕食者們紛紛繞道而行，從此明艷美麗的帝王蝶招搖過市，再無畏懼。
這是如何做到的呢？原來帝王蝶的鈉鉀泵發生了突變，這樣一來強心甾就不再能夠緊密地結合了，自然也就不會妨礙鈉鉀離子的正常轉運了。
圖片：Mindy Lighthipe
日前，加州大學伯克利分校的諾亞·懷特曼（Noah Whiteman）實驗室和哥倫比亞大學的彼得·安德伐特（Peter Andolfatto）實驗室，分別獨立發現了帝王蝶的這種抗毒性主要由三個胺基酸突變造成，並通過不同的基因編輯技術將這三個小突變轉入果蠅，使原本不抗毒的果蠅對強心甾的抗性提高了最多1000倍，儼然成了 「帝王蠅」。二者的結果分別發表在最新一期《自然》（Nature）和八月底的eLife 上。
其實不僅帝王蝶，直翅目、半翅目、膜翅目、鞘翅目、雙翅目、鱗翅目都有個別昆蟲演化出了食用有毒乳草的神奇能力。測序技術的發展使科學家們發現這些能夠抵抗強心甾的昆蟲的鈉鉀泵均有突變，且為多次獨立演化。所有突變中，111，119，122 這三個位點上的突變頻率最高，這引起了研究人員的格外注意。
懷特曼組通過 Crispr-Cas9 基因編輯技術，構建了含有這三個位點的突變的轉基因果蠅。針對抗毒性的檢測發現，當引入111突變時抗性略有增加，引入119突變基本不變，111+119 雙突變比111單突變的抗性要強，122單突變使抗毒性大幅增強，但還是111+119+122全部三個突變同時存在抗毒能力最強，增加了幾乎1000倍，和帝王蝶的抗毒水平持平。
同時懷特曼組也對轉基因果蠅進行了 「癲癇-癱瘓」 測試。這個實驗是將果蠅置於瓶內劇烈晃動，並記錄其恢復站立所需時間，用以反映神經系統應對突發機械刺激的能力。正常野生型果蠅會在震動後立即重新站起，但具有突變的果蠅就沒有那麼健康了。比如只有122突變的果蠅平均花費90秒才能重新站立，111突變的果蠅花費約50秒，而119突變的果蠅和野生型並無二致。111+119雙突變和111+119+122三突變的果蠅組內差異較大，但平均下來仍接近正常野生型果蠅。
這與此前發表的安德伐特組的研究結果一致。他們的研究範圍囊括了所有食用乳草的昆蟲，通過attP基因編輯技術構建了所有這三個位點上的常見突變。結論是一致的，即當在具有111和122位點單突變的果蠅中引入原本並不抗毒的119突變，會使果蠅的抗毒能力大增，同時應對外界刺激的能力也增強。此外，安德伐特組同時檢測了純合果蠅與雜合果蠅——因為當突變最開始出現在二倍體中時一定是雜合狀態的，所以對雜合體的評估更能準確地了解抗毒性出現的演化路徑。
基因表達檢測顯示，在雜合果蠅中，突變鈉鉀泵和正常鈉鉀泵在表達量上並無差異；突變鈉鉀泵的抗性顯著增加，純合的抗性高於雜合； 「癲癇-癱瘓」 測試中純合卻比雜合需要更漫長的恢復時間。
總結一下，雖然122位點的突變抗毒能力強，但副作用也最強；119位點的突變雖不抗毒，但也沒什麼副作用；111位點的突變介於二者之間。於是推斷，111和119上的突變共同演化，122上的突變於其後出現。這也正符合系統發生上我們所見到的規律：多數食用乳草的昆蟲同時擁有111和119位點上的突變，而擁有122突變的生物，通常也都具有111和119上的突變。
另外，單個突變剛出現時以雜合的形式存在來避免強烈的副作用；直到後續突變陸續出現將副作用減弱，純合體才逐漸占據優勢將突變固定下來。正是沿著這樣的路徑，本無法抵抗乳草毒液的果蠅，一步一步成為了鈉鉀泵功能無多損失，但卻和帝王蝶抗毒能力不相上下的 「帝王蠅」。
這兩項研究首次通過基因編輯在多細胞生物體內重現演化路徑，並且證明了路徑的選擇是十分有限的。
首先，鈉鉀泵上與強心甾接觸的位點數量有限，所以只有當隨機突變出現在這些接觸的位點上時才會引起抗毒性的改變。其次，絕大多數突變都是有害的，比如減弱鈉鉀泵自身的工作效率，引發神經與行為上的異常，這樣的突變會被淘汰。最後，正如這兩項研究表明的，突變的順序也很重要。縱然111和122這兩個位點上的突變能使昆蟲獲得強大的抗毒能力，但也影響了它們的神經系統，119位點上的突變則緩解了這種副作用，使得111和122上的突變 「暗度陳倉」，在漫長的歷史與強大的選擇壓力下得以保存。總之，以上種種因素限制了演化的速度，但也同時構成了趨同演化的遺傳基礎。
哈佛大學生物與演化生物學教授霍皮·胡克斯特拉（Hopi Hoekstra）稱讚這兩項研究是 「近期看到最欣賞的」、「完整漂亮的故事」，「真的重現了演化歷史」。芝加哥大學生態與演化系副教授馬庫斯·克朗福斯特（Marcus Kronforst）則在接受《科學》雜誌採訪時稱二者是 「令人欽佩的」、 「少有的通過在其它物種中重現某種形狀來證明突變的作用的研究」。
在此之前，演化學家們通常將目光集中在現存的生物當中，但這兩項研究使人們知道可以通過基因編輯對突變之間的相互作用進行研究，一步一步復原最有可能的演化軌跡。
回望所來徑，仿佛若有光。
參考文獻：
1. Karageorgi, M., Groen S.C., Verster K.I., Aguilar J.M.,Sumbul F., Hastings A.P., Pelaez J.N., Bernstein S.L., Matsunaga T., Astourian M.,Guerra G., Rico F., Dobler S., Agrawal A.A. & Whiteman N.K. 2019. Genome editing retraces the evolution of toxin resistance in the monarch butterfly. Nature. 232.
2. Taverner A., Yang L., Barile Z., Lin B., Peng J.,Pinharanda A., Rao A., Roland B., Talsma A., Wei D., Petschenka G., PalladinoM. and Andolfatto P. 2019. Adaptive substitutions underlying cardiac glycoside insensitivity in insects exhibit epistasis in vivo. eLife. 8.doi: 10.7554/eLife.4822
3. https://www.nytimes.com/2019/10/02/science/monarch-butterflies-milkweed.html
4. https://www.knowablemagazine.org/article/living-world/2019/monarch-butterflies-milkyweed-toxin
5. https://www.sciencemag.org/news/2019/10/how-monarch-butterfly-evolved-its-resistance-toxic-milkweed
楊小靈
普林斯頓生態演化系博士在讀
公眾號：EscapeLotus
微博：@edenling
製版編輯 | 皮皮魚