Cell Reports：果蝇为什么不挑食？

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遗传学家最爱的黑腹果蝇几乎啥都吃，但也有一些果蝇只能取食特定的植物。一项研究分析了它们具备不同饮食习惯的原因，这或许能够帮助我们更好地理解饮食、代谢和遗传的关系。

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来跟常见的果蝇打个招呼吧。它是我们所有家庭的常客，没准此刻就在享用你几天前扔进垃圾桶的香蕉皮。

尽管名字叫果蝇，这种昆虫吃的可不仅是水果，而是以各种各样的植物为食。在 Cell Reports 上发表的一篇论文中，科学家们解释了果蝇饮食的多样性源于它们对碳水化合物的灵活响应，这让我们得以洞悉人类在饮食上的演变。

果蝇，或者说黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），可能对某些人来说很讨厌，但对科学家来说，它们是遗传学的支柱，为基因如何在我们体内运作提供了答案。像果蝇一样，人类也可以利用各种各样的食物资源。这些果蝇和我们都被称为“营养通才”（nutritional generalists）。

另一方面，果蝇的一些遗传学上的表亲被称为“营养专家”（ nutritional specialists），也就是说它们只能依赖非常特定的植物而生存。至于这些生物体如何在饮食习惯上产生了如此大的差异，即使是在同一基因家族内，这方面还有很多问题亟待解答。

领导这项研究的是京都大学（Kyoto University）生物研究所的渡边佳织（Kaori Watanabe）和服部佑佳子（Yukako Hattori），她们解释说：“揭示营养通才果蝇和营养专家果蝇在分子机制上的差异，有助于了解生物体适应不同营养环境的方式。在我们的研究中，我们改变了不同种类果蝇食物中的营养平衡，并比较了它们的营养适应性以及它们的转录和代谢反应。”

研究小组首先研究“通才”果蝇和“专家”果蝇的幼虫是否能适应三种实验性饮食，分别是高蛋白、高碳水化合物和“中等”蛋白质碳水化合物。不出所料，包括普通果蝇在内的“通才”果蝇在所有的饮食下都能生长。另一方面，“专家”果蝇的幼虫却不能在富含碳水化合物的环境中生存。

众所周知，这些“专家”果蝇以特定的水果或花卉为食，并在这些食物上面繁殖后代。对它们天然饮食营养成分的测试表明，它们以低碳水化合物为食。研究人员据此假设，果蝇之间的差异在于控制它们对碳水化合物响应的基因通路。

研究作者解释道：“一个称为 TGF-β/活化素信号（TGF-β/Activin signaling）的信号通路调节着机体对碳水化合物的响应。在‘营养通才’果蝇中，这一信号通路相当灵活，在不同饮食下维持着代谢平衡。事实上，当它们的饮食富含碳水化合物时，约有 250 个代谢基因被下调。”

与此相反，“营养专家”果蝇在更高的水平表达这些碳水化合物的代谢基因，并由此累积代谢产物，最终导致适应能力下降。当 TGF-β/活化素通路中名为 dawdle 的基因在普通果蝇中被禁用时，普通果蝇变得同样缺乏适应能力。

结果表明，“营养通才”果蝇在进化过程中通过基因组与环境的相互作用保留了强大的碳水化合物响应系统，而“营养专家”果蝇在不变的低碳水化合物环境中失去了这种响应系统。

该研究团队总结道：“考虑到人类和果蝇有许多共同的基因和调控因子，我们可以开始开发一种跨物种的比较方法，为解决人类为响应饮食摄入而产生的遗传变异提供一个信息丰富的模型系统。”

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论文信息

【标题】Interspecies Comparative Analyses Reveal Distinct Carbohydrate-Responsive Systems among Drosophila Species

【作者】Kaori Watanabe, Yasutetsu Kanaoka, Shoko Mizutani, Hironobu Uchiyama, Shunsuke Yajima, Masayoshi Watada, Tadashi Uemura, Yukako Hattori

【时间】2019 年 9 月 3 日

【期刊】Cell Reports

【DOI】10.1016/j.celrep.2019.08.030

【链接】http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2019.08.030

【概要】During evolution, organisms have acquired variable feeding habits. Some species are nutritional generalists that adapt to various food resources, while others are specialists, feeding on specific resources. However, much remains to be discovered about how generalists adapt to diversified diets. We find that larvae of the generalists Drosophila melanogaster and D. simulans develop on three diets with different nutrient balances, whereas specialists D. sechellia and D. elegans cannot develop on carbohydrate-rich diets. The generalist D. melanogaster downregulates the expression of diverse metabolic genes systemically by transforming growth factor β (TGF-β)/Activin signaling, maintains metabolic homeostasis, and successfully adapts to the diets. In contrast, the specialist D. sechellia expresses those metabolic genes at higher levels and accumulates various metabolites on the carbohydrate-rich diet, culminating in reduced adaptation. Phenotypic similarities and differences strongly suggest that the robust carbohydrate-responsive regulatory systems are evolutionarily retained through genome-environment interactions in the generalists and contribute to their nutritional adaptabilities.