Исследователи использовали технологию CRISPR, чтобы наделить мух-монархов сверхспособностями — вот почему

Они могли бы помочь объяснить эволюцию одной из самых известных бабочек.

Каждый год бабочки-монархи совершают величественную миграцию из северных районов Канады до самого побережья Мексиканского залива. Ученых завораживают несколько аспектов этого загадочного путешествия, от того, как оно влияет на развитие бабочек-монархов, до того, куда именно в итоге прибывают эти крылатые создания. Исследование, опубликованное в журнале Nature, помогает объяснить один из аспектов этого таинственного путешествия — как насекомые развили способность превращаться в ядовитых существ, что защищает их от поедания в пути.

На стадии гусеницы бабочки-монархи питаются молочаем. Такая диета вызвала бы болезнь или даже смерть у большинства животных; эти растения вырабатывают сердечные гликозиды, которые деактивируют натриевые насосы, используемые клетками для регулирования уровня соли. Для организмов с сердцем это может привести к остановке сердца. Но бабочки-монархи никогда не переваривают токсины. Вместо этого, в процессе, называемом секвестрацией, они переносят сердечные гликозиды внутри своего тела, когда создают коконы, превращаются в бабочек и начинают летать. Растения молочая развили токсичность именно для того, чтобы большинство насекомых не ели их, поэтому способность поглощать их токсичные вещества дает оранжевым бабочкам — наряду с примерно 20 другими видами насекомых — доступ к источнику пищи без особой конкуренции. Это также делает их токсичными для потенциальных хищников.

Ношение яда оказывает как минимум некоторое воздействие на большинство этих видов, и сопротивление его воздействию отнимает энергию, которую они могли бы использовать для других целей, таких как еда и размножение. Бабочки-монархи лучше переносят молочай, чем остальные, и наделение плодовых мушек такой же генетической устойчивостью может помочь выяснить, почему это происходит.

Исследователи использовали CRISPR для внесения трех мутаций в один ген плодовой мухи, который, как известно, контролирует натриевый насос. Две из мутаций, препятствующие связыванию сердечных гликозидов с насосом, уже изучались у бабочек-монархов. Но эти две мутации сделали плодовых мух гораздо более склонными к судорогам, и они быстро погибли. Добавление третьей, ранее неидентифицированной мутации помогло компенсировать негативные последствия двух других.

«Проверяя мутации одну за другой, они могут, по сути, воспроизвести ход эволюции», — говорит Маркус Кронфорст, эколог из Чикагского университета. Это объясняется тем, что мутации должны были происходить в определенной последовательности, чтобы избежать гибели мух до того, как они наделятся сверхспособностями по связыванию токсинов.

Трижды мутировавшие «мухи-монархи» обладают такой же устойчивостью к токсинам молочая, как и сами бабочки-монархи, и в 1000 раз меньшей чувствительностью к ним, чем их дикие сородичи. Они также переносят токсин с личиночной стадии (детеныши плодовых мушек, к сожалению, являются личинками, а не гусеницами) до взрослого состояния. Это первый случай, когда CRISPR был использован для изучения эволюции путем фактического воссоздания развития определенного признака — в данном случае, устойчивости к токсинам — в живом многоклеточном организме шаг за шагом. Но изучение мух-монархов может не привести к обобщенным знаниям о том, как этот процесс развивался у всех 20 типов насекомых, обладающих этим признаком, говорит Питер Андольфатто, автор статьи, опубликованной в августе , в которой использовались различные методы редактирования генов для воссоздания одной и той же мутации у плодовых мушек.

«Эти три участка эволюционировали очень похожим образом у разных отрядов насекомых», — говорит он, но работа его команды показала, что порядок мутаций не всегда одинаков. «Способ, которым это произошло у бабочек-монархов, может не отражать того, как это произошло у других групп».

Исследование не просто объясняет, как три мутации взаимодействуют, позволяя мухам-монархам поедать ядовитый молочай. «Оно также демонстрирует необходимый первый шаг к тому, чтобы сами „мухи-монархи“ стали токсичными», — пишет Наоми Пирс, биолог, изучающая бабочек в Гарвардском университете, в электронном письме журналу Popular Science . «Это действительно прекрасная работа».

Но, несмотря на все это, это также поучительная история о применении CRISPR к животным, говорит биолог из Калифорнийского университета и автор исследования Ноа Уайтман. Плодовые мушки, даже с тремя мутациями, очень чувствительны к внешним движениям: если ударить по пробирке, в которой они летают, они падают и им требуется почти две минуты, чтобы снова подняться в воздух. Уайтман и его команда работают над тем, чтобы выяснить, почему это не так с бабочками-монархами. Возможно, у мушек есть внецелевые мутации , говорит он, то есть CRISPR отредактировал некоторые еще не идентифицированные случайные гены наряду с теми, которые его команда пыталась изменить. Это яркое напоминание о том, что мы очень далеки от решения всех проблем нашего собственного вида с помощью генной инженерии . Даже несмотря на их невероятную способность питаться молочаем, говорит Уайтман, «это очень больные мушки».

Kat Eschner “Researchers used CRISPR to give ‘monarch flies’ superpowers—here’s why”

Перевод статьи «Researchers used CRISPR to give ‘monarch flies’ superpowers—here’s why» автора Kat Eschner, оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык