2026年1月4日，基因功能研究與操控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京大學(xué)成都前沿交叉生物技術(shù)研究院張蔚研究組與合作者在Advanced Science期刊上在線發(fā)表了題為“Mechanisms of aristolochic acid resistance in specialist butterflies and evolutionary insights for potential protective pathways”的研究論文。研究通過(guò)整合代謝分析、多組學(xué)比較、原位成像和細(xì)胞功能實(shí)驗(yàn)等技術(shù)手段，系統(tǒng)探究了紅珠鳳蝶（Pachliopta aristolochiae）對(duì)馬兜鈴酸的抗性機(jī)制，并為人類相關(guān)疾病的保護(hù)和治療提供了新視角。

馬兜鈴酸是馬兜鈴科植物中廣泛存在的一類天然代謝產(chǎn)物，對(duì)哺乳動(dòng)物具有強(qiáng)烈的腎毒性與誘變作用，其毒性機(jī)制主要涉及氧化應(yīng)激以及生物活化誘導(dǎo)的DNA損傷。目前，盡管含馬兜鈴酸藥物的使用已受到嚴(yán)格限制，人類仍可能通過(guò)藥物殘留或環(huán)境污染等途徑持續(xù)暴露于該物質(zhì)。因此其對(duì)人類健康依然存在威脅。然而，部分鱗翅目昆蟲能夠?qū)Ｒ恍匀∈绸R兜鈴科植物，并通過(guò)在體內(nèi)積累馬兜鈴酸作為自身化學(xué)防御機(jī)制。這些昆蟲如何避免馬兜鈴酸引起的毒性損傷尚未得到充分解析。

為探究這一問(wèn)題，研究者以取食馬兜鈴科植物的鳳蝶科物種紅珠鳳蝶作為主要研究對(duì)象，首先追蹤了馬兜鈴酸在蝴蝶體內(nèi)的代謝過(guò)程�；�于LC-MS技術(shù)鑒定得到的代謝產(chǎn)物顯示，紅珠鳳蝶攝入馬兜鈴酸后能夠?qū)ζ溥M(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，且同時(shí)存在代謝解毒與活化兩種途徑。此外，在紅珠鳳蝶的多個(gè)發(fā)育階段中均檢測(cè)到了較高水平的DNA加合物，表明其持續(xù)面臨潛在的突變風(fēng)險(xiǎn)（圖1）。

圖1. 紅珠鳳蝶對(duì)馬兜鈴酸的生物轉(zhuǎn)化與DNA加合物形成

為進(jìn)一步闡明紅珠鳳蝶對(duì)馬兜鈴酸的適應(yīng)機(jī)制，研究者構(gòu)建了該物種染色體水平的高質(zhì)量參考基因組。通過(guò)跨物種比較分析，確定了其中特異性擴(kuò)張的基因家族。這些擴(kuò)張基因顯著富集于氧化還原和脂質(zhì)代謝等生物學(xué)過(guò)程，主要包括前列腺素還原酶（PGR）、過(guò)氧化氫酶和細(xì)胞色素P450（CYP）等相關(guān)基因（圖2）。進(jìn)一步的轉(zhuǎn)錄組分析表明，在攝入高劑量外源馬兜鈴酸后，相關(guān)響應(yīng)基因同樣富集于氧化還原過(guò)程，涉及CYP、短鏈脫氫酶（SDR）和醛酮還原酶（AKR）等基因家族（圖3）。這些結(jié)果共同支持氧化還原相關(guān)基因在馬兜鈴酸代謝與解毒過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

圖2. 鳳蝶科蝴蝶比較基因組分析結(jié)果

圖3. 紅珠鳳蝶中馬兜鈴酸誘導(dǎo)的基因表達(dá)變化

鑒于在紅珠鳳蝶體內(nèi)廣泛存在DNA加合物，研究者進(jìn)一步探究了其如何避免由此引發(fā)的突變風(fēng)險(xiǎn)。研究首先聚焦于對(duì)蝴蝶生存至關(guān)重要的翅組織。結(jié)果顯示，與身體組織不同，在蛹期翅盤中馬兜鈴酸含量極低，也未檢測(cè)到DNA加合物，提示物理屏障等機(jī)制可能有助于阻止馬兜鈴酸進(jìn)入翅盤組織�；�因表達(dá)分析顯示，前述氧化還原基因在翅盤中強(qiáng)烈下調(diào)，表明代謝酶的低表達(dá)水平可能進(jìn)一步抑制了馬兜鈴酸在翅組織內(nèi)的代謝活化，從而避免DNA加合物的形成。綜上，研究揭示了紅珠鳳蝶可能通過(guò)“物理隔離”與“代謝活化抑制”雙重機(jī)制，有效保護(hù)翅組織免受馬兜鈴酸毒性損害（圖4）。

另一方面，由于紅珠鳳蝶身體組織中存在高濃度馬兜鈴酸及相應(yīng)DNA加合物，研究進(jìn)一步比較了該物種與多種不取食馬兜鈴的鳳蝶科蝴蝶的基因表達(dá)譜。通過(guò)基因共表達(dá)網(wǎng)絡(luò)分析，研究鑒定獲得了一個(gè)在紅珠鳳蝶中特異性高表達(dá)的基因模塊，其中處于網(wǎng)絡(luò)樞紐位置的關(guān)鍵基因顯著富集于DNA損傷修復(fù)相關(guān)通路，特別是范可尼貧血（FA）和核苷酸切除修復(fù)（NER）通路。這表明，紅珠鳳蝶可能通過(guò)上調(diào)DNA修復(fù)基因，應(yīng)對(duì)馬兜鈴酸誘導(dǎo)的DNA損傷，從而降低突變積累的風(fēng)險(xiǎn)（圖4）。

圖4. 鳳蝶科蝴蝶轉(zhuǎn)錄組比較分析結(jié)果

此外，為探究紅珠鳳蝶如何維持生殖細(xì)胞的基因組穩(wěn)定性，研究采用點(diǎn)擊化學(xué)方法，通過(guò)飼喂修飾后的馬兜鈴酸類似物對(duì)其在組織內(nèi)的空間分布進(jìn)行了可視化。結(jié)果顯示，馬兜鈴酸在胸部肌肉組織中均勻分布；而在精巢中，其主要存在于表皮和隔膜，而未在生殖細(xì)胞內(nèi)積累。這表明生殖系統(tǒng)可能通過(guò)選擇性屏障限制馬兜鈴酸的攝取或促進(jìn)其外排。為進(jìn)一步解析該屏障的分子基礎(chǔ)，研究基于空間轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，在精巢生殖細(xì)胞中鑒定到了一個(gè)高水平表達(dá)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。該蛋白屬于SLC22家族，在序列和結(jié)構(gòu)上類似于哺乳動(dòng)物有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（OAT），可能作為馬兜鈴酸的潛在轉(zhuǎn)運(yùn)體（圖5）。

圖5. 紅珠鳳蝶精巢馬兜鈴酸分布與空間基因表達(dá)模式

最后，基于上述結(jié)果，研究探索了紅珠鳳蝶潛在解毒機(jī)制在哺乳動(dòng)物中的作用。在紅珠鳳蝶擴(kuò)張及馬兜鈴酸響應(yīng)基因中，PGR基因與人類PTGR1在序列和結(jié)構(gòu)上均具有高度相似性，提示其可能具有保守的酶活性與功能。PTGR1已被報(bào)道有助于抵抗氧化應(yīng)激，因此研究進(jìn)一步關(guān)注了該基因是否有助于幫助哺乳動(dòng)物耐受馬兜鈴酸。基于大規(guī)模腎臟單細(xì)胞圖譜分析，研究首先確定了PTGR1在人類腎臟中具有細(xì)胞類型特異性的表達(dá)模式，并與疾病狀態(tài)相關(guān)——在急性腎損傷樣品中表達(dá)顯著下調(diào)。功能實(shí)驗(yàn)表明，敲低PTGR1會(huì)加劇馬兜鈴酸造成的細(xì)胞毒性和氧化損傷，而過(guò)表達(dá)PTGR1則能有效保護(hù)細(xì)胞（圖6）。綜上，本研究通過(guò)解析與寄主植物長(zhǎng)期協(xié)同演化的紅珠鳳蝶對(duì)馬兜鈴酸的抗性機(jī)制，為探索人類相關(guān)毒性保護(hù)途徑提供了新視角，也為相關(guān)疾病的機(jī)制研究與干預(yù)策略提供了新思路。

圖6. 人類PTGR1基因?qū)︸R兜鈴酸毒性具有保護(hù)作用

上海交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院欒洋研究員、復(fù)旦大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院石樂(lè)明教授與張蔚為本文共同通訊作者。欒洋與北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后張宇博為本文共同第一作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。