许多苍蝇面临来自寄生黄蜂的威胁，这些黄蜂将其卵子产于苍蝇幼虫中，利用它们作为活的孵化器。一个特定的苍蝇物种通过从细菌中获得一个基因来对此类黄蜂发展出防御能力，而这个基因来自噬菌体。加州大学伯克利分校的研究人员成功地将该基因转移到其他苍蝇物种中，使其对黄蜂具有抗性。这个发现表明，横向基因转移的过程在动物中发生的频率可能比以前认为的要高。
寄生虫与宿主之间的持续军备竞赛常常导致这样的观点：创新的适应性对于在这场竞争中获得攻防优势至关重要。
然而，与商业世界类似，直接的基因窃取可能是获得优势的更快、更有效的方法。
来自加州大学伯克利分校的生物学家发现，各种果蝇物种已经从细菌那里获得了一种成功的防御机制，使它们能够抵抗寄生黄蜂，这些黄蜂可以将近一半的幼虫转化为黄蜂幼崽的宿主——这一不安的命运让人想起1979年恐怖电影《异形》。
细菌和微生物以横向基因转移的方式相互交换基因或与病毒交换基因，这一过程使抗生素耐药性在病原体中传播。然而，这通常被认为在复杂的生物体（如昆虫和人类）中是罕见的。了解这一过程在动物体内的普遍程度以及这些基因是如何共享的，可能会增强我们对动物免疫系统的科学知识，并可能导致新疾病治疗方法的开发，包括寄生虫感染和癌症（可视为一种寄生现象）。
“这项研究为免疫系统的演化提供了见解，包括我们自身的免疫系统，它也包含已经被横向转移的基因，”加州大学伯克利分校分子与细胞生物学及综合生物学教授、昆虫学艾西格博物馆馆长诺亚·怀特曼指出。
在2022年，研究团队及其在匈牙利的同事利用CRISPR技术禁用广泛分布的苍蝇物种Drosophila ananassae中负责保护措施的基因。结果显示，几乎所有修改过的苍蝇都在寄生黄蜂的攻击下死去。
在最近发表在《当前生物学》杂志（Current Biology）上的一项研究中，研究人员演示了将这种负责产生毒素的保护基因引入常见的实验室果蝇Drosophila melanogaster中，也能够赋予它们对寄生黄蜂的抵抗力。该基因有效集成到苍蝇的免疫反应中，增强其对抗寄生虫的能力。
这些发现说明了这一借用的防御在苍蝇生存中所扮演的关键角色，并表明这种策略在动物王国中可能比之前认识的更为普遍。
“这项研究揭示了横向基因转移是促进动物快速演化的重要但被忽视的机制，”加州大学伯克利分校博士生、Current Biology文章的第一作者丽贝卡·塔尔诺波尔指出。“尽管这一过程在微生物中作为快速适应的关键驱动因素早已得到良好认可，但在动物中被认为是罕见的。然而，在昆虫中，这似乎相对频繁。”
根据该研究的资深作者怀特曼的说法：“这项研究表明，为了应对不断进化并发展出新策略以绕过宿主防御的寄生虫，动物可以有效地从快速进化的病毒和细菌中借用基因。这正是这些苍蝇所实现的。”
从病毒到细菌再到苍蝇的基因转移
怀特曼的研究集中在昆虫如何对抗旨在抵御食草行为的植物毒素。他在2023年出版了一本名为《最美味的毒药》的书，讨论人类喜爱的植物毒素，如咖啡因和尼古丁。
他研究的一个显著互动是果蝇Scaptomyza flava与苦芥菜植物之间的相互作用，这些植物包括全球分布的水田芥菜。
幼虫在植物叶子内发育，并在其中开挖隧道，真正作为寄生虫的同时，植物试图用特殊化学物质将其抵御。“我们研究这一持续的进化斗争，”怀特曼解释道。
然而，他所学到的，可能适用于各种各样的昆虫，这些昆虫占地球上成功的食草动物的相当一部分。
“尽管这些苍蝇似乎微不足道，但考虑到一半的生物昆虫物种都是食草动物，这种生活方式实际上相当普遍。理解这一演化过程对掌握整体进化原则至关重要，”他补充说。
在对苍蝇基因组进行测序，寻找抵御芥菜毒素的基因时，他发现了一种在细菌中普遍存在的不寻常基因。进一步调查显示，该基因也存在于相关的苍蝇Drosophila ananassae及生存在蚜虫中的细菌中。对蚜虫的研究表明，该基因起源于感染蚜虫细菌栖息者的噬菌体，使其能够抵御寄生黄蜂。
这些黄蜂在幼虫中产卵，直到幼虫变成不可动的蛹。到那个阶段，黄蜂幼虫吃掉苍蝇蛹，最终化为成虫。
最初，当塔尔诺波尔应用基因编辑，将毒素基因引入所有D. melanogaster细胞时，所有苍蝇都死了。然而，将基因表达限制在特定的免疫细胞使苍蝇获得与其亲属D. ananassae相当的抵抗力。
通过后续研究，怀特曼、塔尔诺波尔和他们的同事们发现，存在于D. ananassae中的基因——两个毒素基因的融合，细胞致死膨胀毒素B（cdtB）和56kDa诱导凋亡蛋白（aip56），他们称其为fusionB——编码一种能够损害DNA的酶。
为了理解这种核酸酶如何消灭黄蜂卵，加州大学伯克利分校的研究人员联系了匈牙利塞格德遗传学研究所的伊什万·安多，他曾表明这些苍蝇利用细胞防御机制孤立黄蜂卵并消灭它们。安多的团队为毒素创造了抗体，以追踪其在苍蝇体内的分布，发现核酸酶包围并摧毁了黄蜂卵。
“我们发现了一个巨大的、以前未被开发的体液免疫因子的宇宙，这可能有助于无脊椎动物的免疫系统，”塔尔诺波尔表示。“我们的研究是首个证明这种类型的免疫反应可能是对抗天然敌人（如黄蜂和线虫）的一种普遍策略，这些敌人通常对研究的许多典型微生物感染构成更大的威胁。”
怀特曼和他的同事们继续研究苍蝇与黄蜂之间复杂的相互作用，以及促进苍蝇生成毒素而又不伤害自身的遗传和细胞适应性。
“如果基因错误激活，苍蝇就完蛋了。它将无法通过自然选择在人群中繁衍，”怀特曼解释道。“然而，如果它整合到基因组中一个有利的位置，靠近增强子或调控序列，使其在脂肪体组织中的轻微表达，你就能很容易理解它如何为苍蝇带来显著的优势。”
横向基因转移的挑战适用于任何生物体，但在捕食者与猎物的冲突中，这种适应可能是无价的。
“对于一只无辜的小果蝇来说，如何面对这些迅速演变的威胁？”他问道。“一种有效的方法是从快速变化的细菌和病毒中采用基因。这种巧妙的策略绕过了等待自己基因提供帮助的过程，而选择利用其他适应更快的生物的基因。这种现象似乎在昆虫中独立发生了多次，因为许多物种获得了这个基因。这描绘了即使在只有先天免疫系统、缺乏适应性免疫的动物中，新的活力也在协同作用。”
怀特曼的研究获得了美国国家卫生研究院(NIH)一般医学科学研究所(R35GM119816)的资助。论文的共同作者包括加州大学伯克利分校的约瑟芬·塔姆西尔、哈吉·韩、基尔斯滕·费斯特、苏珊·伯恩斯坦、匈牙利的乔恩吉·克尼盖、艾迪特·阿布拉汉、莉拉·B·马吉尔和佐尔坦·利平兹基，以及斯坦福大学的伯纳德·金。
