《Current Biology》动物可以自然的“盗窃”细菌的防御机制

　　

在寄生虫和宿主之间持续不断的军备竞赛中，创新被认为是成功攻击或防御的关键，从而在竞争中胜出。但有时，就像在企业界一样，直接盗窃可能是获得主导地位的更快方法。

加州大学伯克利分校的生物学家已经证明，几种果蝇已经成功地从细菌中窃取了一种防御能力，从而在寄生蜂的捕食中生存下来，在一些果蝇中，这种防御能力可以将所有果蝇幼虫的一半变成小黄蜂的代孕子宫。这种可怕的命运激发了1979年电影《异形》中的生物。

细菌和其他微生物以窃取其他微生物或病毒的基因而闻名；这种所谓的水平基因转移是致病微生物产生抗生素耐药性的根源。但它被认为在多细胞生物中不太常见，比如昆虫和人类。了解它在动物中有多普遍，以及这些基因是如何被选择和共享的，可以帮助科学家了解动物免疫防御的进化，并可能为人类治疗寄生虫或传染病或癌症指明道路，癌症本身就是一种寄生虫。加州大学伯克利分校分子和细胞生物学以及综合生物学教授，校园埃西格昆虫学博物馆馆长Noah Whiteman说：“这是一个理解免疫系统如何进化的模型，包括我们的免疫系统，它也包含水平转移的基因。”

去年，匈牙利的研究人员和他们的同事利用CRISPR基因组编辑技术，敲除了一种广泛存在的果蝇物种——果蝇（Drosophila ananassae）——负责防御的基因，发现几乎所有转基因果蝇都死于寄生蜂的捕食。

在12月20日发表在《Current Biology》杂志上的一项新研究中，生物学家证明了这种防御；编码毒素的基因；可以被编辑到常见的实验室果蝇——黑腹果蝇的基因组中，使它们也能抵抗寄生蜂。这种基因本质上成为了果蝇免疫系统的一部分，是它抵御寄生虫的武器之一。

研究结果表明，偷来的防御对果蝇的生存是多么重要，并强调了一种可能在科学家们怀疑的动物中更常见的策略。

《当代生物学》论文的第一作者、加州大学伯克利分校的博士生Rebecca Tarnopol说：“这表明，水平基因转移是一种被低估的方式，而快速进化发生在动物身上。人们认为水平基因转移是微生物快速适应的主要驱动力之一，但这些事件在动物中被认为是非常罕见的。但至少在昆虫中，它们似乎相当频繁。”

该论文的资深作者Whiteman说：“这项研究表明，为了跟上不断进化新方法来克服宿主防御的寄生虫的攻击，动物的一个好策略是从进化更快的病毒和细菌中借用基因，这正是这些果蝇所做的。”

Whiteman研究昆虫如何进化以抵抗植物产生的毒素以防止被吃掉。2023年，他出版了一本名为《最美味的毒药》（Most Delicious Poison）的书，讲述了人类开始喜欢的植物毒素，比如咖啡因和尼古丁。

他关注一种植物-食草动物的相互作用，常见的是果蝇Scaptomyza flava和酸味芥菜植物之间的相互作用。

果蝇的幼虫，即未成熟阶段，生活在植物的叶子中。它们是树叶挖掘者，它们在树叶上留下小小的痕迹。”Whiteman说。“它们是植物真正的寄生虫，植物试图用专门的化学物质杀死它们。我们研究军备竞赛。”

然而，他所学到的可能适用于地球上最成功的食草动物之一的许多其他昆虫。

“这些都是不起眼的小果蝇，但如果你考虑到所有现存昆虫物种中有一半是食草动物，这是一个非常受欢迎的生活史。了解这种动物的进化对于理解食草动物如何成功的进化非常重要。”

几年前，在对果蝇的基因组进行测序以寻找能够抵抗芥菜毒素的基因后，他发现了一种不寻常的基因，他知道这种基因在细菌中广泛存在。通过对先前公布的基因组序列的搜索，在一种相关的果蝇，果蝇，以及一种生活在蚜虫体内的细菌中发现了相同的基因。研究蚜虫的研究人员发现了一个复杂的故事：这种基因实际上来自一种细菌病毒，或噬菌体，它会感染蚜虫体内的细菌。由细菌表达的噬菌体基因使蚜虫能够抵抗困扰它的寄生蜂。

这些黄蜂将卵产在幼虫或蛆体内，并留在那里，直到幼虫变成不动的蛹，这时黄蜂卵成熟成黄蜂幼虫，吃掉果蝇蛹，最终长成成虫。

当Tarnopol第一次使用基因编辑技术在黑腹果蝇的所有细胞中表达毒素基因时，所有果蝇都死亡了。但是，当Tarnopol只在某些免疫细胞中表达这种基因时，这种果蝇就像它的表亲D. ananassae一样对寄生虫具有抵抗力。

Whiteman、Tarnopol和他们的同事随后发现，在D. ananassae中的两个毒素基因融合了，它们分别是细胞致死膨胀毒素B （cdtB）和凋亡诱导蛋白56kDa （aip56），导致编码一种切割DNA的酶。

为了发现这种核酸酶如何杀死黄蜂卵，加州大学伯克利分校的研究人员联系了匈牙利塞格德HUN-REN生物研究中心遗传学研究所的István Andó，该研究所之前已经证明，这些果蝇对黄蜂卵有细胞防御，基本上是将卵与果蝇的身体隔离开来并杀死它们。Andó和他的实验室同事制造了针对这种毒素的抗体，使他们能够追踪这种毒素在果蝇体内的传播，并发现这种核酸酶基本上会在果蝇体内流动，包围并杀死卵子。

“我们一直在发现这个巨大的未开发的体液免疫因子世界，它可能在无脊椎动物的免疫系统中起作用，”Tarnopol说。“我们的论文是第一批表明，至少在果蝇中，这种类型的免疫反应可能是对付黄蜂和线虫等天敌的一种常见机制。它们比大多数人接触的一些微生物感染更致命。”

Whiteman和他的同事们仍在探索果蝇和黄蜂之间相互作用的复杂性，以及允许果蝇合成毒素而不杀死自己的细胞和基因变化。

“如果基因在错误的组织中表达，果蝇就会死亡。这种基因永远不会通过自然选择席卷整个种群，”Whiteman说。“但如果它降落在基因组中靠近一些增强子或一些调节成分的地方，这些增强子或调节成分在脂肪组织中表达它，那么你就可以看到它是如何快速地发挥作用的，你就会得到这个惊人的优势。”

他说，任何生物体的水平基因转移都会带来类似的问题，但在捕食者和猎物之间的军备竞赛中，这可能是值得的。

他说：“当你是一只可怜的小果蝇时，你如何应对这些迅速进化以利用你的病原体和寄生虫？一种方法是从细菌和病毒中借用基因，因为它们正在迅速进化。这是一个巧妙的策略。与其等待自己的基因来帮助你，不如从其他比自己进化得更快的生物身上获取基因。这似乎在昆虫身上独立地发生过很多次，因为很多不同的昆虫都携带了这种基因。它向我们展示了一种新的活力，这种活力甚至发生在只有先天免疫系统而没有适应性免疫的动物身上。”