《Journal of Insect Physiology》：The ABC transporter
vitalporter (
CG3164) is necessary for development and survival in
Drosophila melanogaster
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果蝇ABC转运蛋白和UDP-葡萄糖醛酸转移酶（UGTs）家族通过RNAi筛选和CRISPR敲除验证，发现CG3164（命名为vitalporter）是唯一完全致死的基因，其敲除影响幼虫发育、成虫羽化及成体寿命，神经组织特异性敲除显示其与神经系统功能相关。
Luke J. Pfannenstiel|Nicolas Buchon|Jeffrey G. Scott
美国纽约州伊萨卡市康奈尔大学Comstock Hall昆虫学系
摘要
昆虫通过多种基因家族来抵御外源物质的影响，这些基因家族包括细胞色素P450、谷胱甘肽S-转移酶、UDP-糖基转移酶（UGTs）和ATP结合盒（ABC）转运蛋白。除了抵御外源物质外，其中一些基因还在生理稳态中起着关键作用。然而，究竟需要多少ABC转运蛋白或UGTs才能维持昆虫的生存，目前尚不清楚。我们使用RNAi技术对黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中的71个基因进行了研究，以确定哪些ABC转运蛋白和UGTs是生存所必需的。通过RNAi敲低这些基因后，若观察到成虫数量减少，我们会进一步通过基于CRISPR的体细胞敲除（TKO）技术验证这些结果。在RNAi筛选出的13个基因中，我们选择了5个具有可用的CRISPR敲除系的基因进行验证。在这些基因中，只有CG3164基因在完全敲除后表现出与RNAi处理相同的致死表型，我们将其命名为vitalporter（vptr）。在胚胎阶段敲低vitalporter会阻止蛹的发育，在L2–L3幼虫阶段敲低会阻止成虫的羽化，在成虫阶段敲低会缩短成虫的寿命。组织特异性RNAi结果表明，vitalporter的致死作用可能与神经系统有关。发现vitalporter在生存中的重要性为进一步研究这一基因及其他ABC转运蛋白在黑腹果蝇生理功能中的作用提供了机会。
引言
生物体通过多种基因家族来抵御外源物质的影响，例如细胞色素P450、谷胱甘肽S-转移酶、UDP-糖基转移酶（UGTs）和ATP结合盒（ABC）转运蛋白。除了解毒作用外，这些基因还在生理稳态中发挥着关键作用。然而，在这方面仅对少数ABC转运蛋白和UGTs家族的成员进行了研究，它们究竟需要多少才能维持正常的生理功能仍不清楚。
ATP结合盒（ABC）转运蛋白家族是所有生命领域（古菌、真核生物和原核生物）中最大的转运蛋白家族之一，其蛋白质结构和亚家族组织都具有高度保守性（Beek等人，2014年；Linton，2007年；Thomas和Tampe，2020年）。细胞和细胞器被脂质膜包围，依赖转运蛋白将各种化合物运输穿过这些膜屏障。许多分子由于大小或电荷的原因无法被动穿过膜，因此需要ABC转运蛋白的帮助（例如鸟嘌呤和色氨酸）（Ewart等人，1994年）。在昆虫中，对ABC转运蛋白的研究主要集中在少数几个基因上（例如white、brown、scarlet等），这些基因已被证明可以运输鸟嘌呤（Sullivan等人，1979年）、cGMP（Evans等人，2008年）、色氨酸、犬尿喹啉（Sullivan等人，1980年）、组胺（Campbell和Nash，2001年）、尿酸（Wang等人，2013年）和蜕皮激素（Broehan等人，2013年）。在Tribolium castaneum幼虫中，有5个ABC基因在RNAi沉默后导致完全致死，其中2个基因似乎参与角质层脂质的运输（Broehan等人，2013年）。
另一个具有生理重要性的基因家族是UDP-糖基转移酶（UGTs），它们将活化的糖类与参与发育和生理过程的内源性化合物以及需要解毒的外源性分子结合（Ahn等人，2012年；Kinareikina和Silivanova，2024年；Meech等人，2019年；Scott，2025年）。尽管哺乳动物和昆虫在用于结合的糖类类型上存在差异（Ahmad和Forgash，1976年），但UGTs在生理和解毒方面的总体作用是保守的。
ABC转运蛋白和UGTs在黑腹果蝇的多种组织中都有表达，其中许多基因在消化道中的表达量最高，在头部和脂肪体等组织中也能检测到其存在。最近的研究表明，这两个基因家族也参与神经系统的稳态调节。例如，ABC转运蛋白与记忆有关（Myers等人，2021年），而UGTs则促进脂滴的形成（Sheng等人，2025年）。鉴于这些基因家族具有广泛的功能，它们显然作用于多种底物（Meech等人，2019年；Rees等人，2009年；Wright等人，2018年）。然而，究竟需要多少ABC转运蛋白或UGTs才能维持生存仍不清楚。利用黑腹果蝇在标准饲养条件下研究这两个基因家族在发育和生存中的作用，通过发现敲低这些基因后会导致发育或生存受阻的基因，可以提供关于哪些基因以及它们在生理上至关重要的新信息。识别出关键基因（尤其是在像ABC转运蛋白和UGTs这样普遍存在的家族中）有助于了解保守的生理需求，并可能为基于RNAi的害虫控制策略提供潜在目标。在这里，我们使用RNAi技术在黑腹果蝇中研究了哪些ABC转运蛋白和UGTs是生存所必需的。通过RNAi敲低后出现明显表型（成虫数量减少）的基因，我们进一步通过基于CRISPR的敲除技术进行了验证。在RNAi筛选出的13个基因中，我们选择了5个具有可用的敲除系的基因（4个ABC转运蛋白和1个UGT）。在这些基因中，只有之前未被表征的ABC转运蛋白CG3164在完全敲除后完全再现了致死表型，我们将其命名为vitalporter（vptr）。接下来我们探讨这种致死作用是特定发育阶段的停滞还是整个生命周期中的普遍需求。通过追踪发育过程，我们发现vitalporter是持续必需的：在幼虫阶段敲低会导致逐渐增加的致死性，在后期诱导时阻止成虫羽化，在成虫阶段敲低会缩短成虫寿命。由于vitalporter在多种组织中都有表达，我们进一步使用组织特异性驱动子发现，在神经组织中敲低该基因会产生最强烈的致死效果。综合这些结果表明，vitalporter对昆虫的生存至关重要，可能支持神经元或胶质细胞的功能。
部分内容摘要
果蝇品系和饲养条件
所有黑腹果蝇品系均在25°C、12:12光暗周期下饲养，并使用标准玉米粉-琼脂培养基（每升培养基含有60克玉米粉、40克蔗糖、50克酵母、7克琼脂、26.5毫升Moldex和12毫升由丙酸和磷酸组成的酸性混合物）进行培养。RNAi试剂、Gal4驱动子和TRiP-CRISPR敲除（TKO）系以及Act5c-Cas9和UAS-nlsGFP系均来自Bloomington果蝇品系中心（BDSC；美国印第安纳州布卢明顿）（补充表1）。
筛选ABC转运蛋白和UGTs的致死效应
尽管ABC转运蛋白和UDP-糖基转移酶（UGTs）在解毒外源物质、介导跨膜运输和促进代谢结合方面的作用已被充分研究，但它们在发育和生物体存活中的潜在作用仍大部分未被探索。大多数研究是在应激或暴露于环境毒素的背景下对这些基因家族进行的，因此它们是否也参与基本生理过程仍是一个未解之谜。
讨论
尽管已有大量的RNAi资源，使得在黑腹果蝇中进行广泛的功能筛选成为可能，但我们的研究重点关注了ABC转运蛋白和UGTs的生理功能，优先筛选在多种干扰条件下仍具有致死性的候选基因（在可用情况下使用独立的RNAi试剂和体细胞CRISPR敲除技术）。在本研究中，我们证明了ABC转运蛋白vitalporter对黑腹果蝇的生存至关重要。
CRediT作者贡献声明
Luke J. Pfannenstiel：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、数据可视化、验证、监督、资源提供、方法学设计、实验设计、数据分析、概念构建。Nicolas Buchon：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、数据可视化、验证、监督、资源提供、项目管理、方法学设计、实验设计、资金申请、数据分析、概念构建。Jeffrey G. Scott：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢Rachel Norris在UGT筛选方面的技术协助。本研究得到了美国农业部/NIFA（资助编号12898432，资助对象为JGS和NB）、NIH（资助编号R01AI148529和R01AI148541，资助对象为NB）以及NSF（资助编号IOS 2024252，资助对象为NB）的资助。
