Узоры крыльев бабочек появляются из древних "хлам" ДНК

Согласно новому исследованию, узоры крыльев бабочек имеют базовый план, которым манипулирует некодирующая регуляторная ДНК, чтобы создать разнообразие крыльев, наблюдаемое у разных видов.

Исследование «Глубокая цис-регуляторная гомология основного плана рисунка крыльев бабочки», опубликованное в качестве статьи на обложке номера журнала от 21 октября. Наукаобъясняет, как ДНК, находящаяся между генами — называемая «мусорной» ДНК или некодирующей регуляторной ДНК, — соответствует базовому плану, сохраняющемуся на протяжении десятков и сотен миллионов лет, и в то же время позволяет очень быстро изменять структуру крыльев.

Исследование подтверждает идею о том, что древний план цветового узора уже закодирован в геноме и что некодирующая регуляторная ДНК работает как переключатели, активируя одни узоры и подавляя другие.

«Нам интересно узнать, как один и тот же ген может создать этих совершенно разных бабочек», — сказал Ани Мазо-Варгас, доктор философии. ’20, первый автор исследования и бывший аспирант лаборатории старшего автора Роберта Рида, профессора экологии и эволюционной биологии в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни. Мазо-Варгас в настоящее время является постдокторантом в Университете Джорджа Вашингтона.

«Мы видим, что существует очень консервативная группа переключателей [non-coding DNA] которые работают в разных положениях и активируются и управляют геном», — сказал Мазо-Варгас.

Предыдущая работа в лаборатории Рида выявила ключевые гены окраски: один (WntA), контролирующий полосы, и другой (Optix), контролирующий цвет и радужность крыльев бабочки. Когда исследователи отключили ген Optix, крылья стали черными, а когда был удален ген WntA, узоры в виде полос исчезли.

Это исследование было сосредоточено на влиянии некодирующей ДНК на ген WntA. В частности, исследователи провели эксперименты с 46 из этих некодирующих элементов у пяти видов нимфалидных бабочек, которые являются самым большим семейством бабочек.

Для того чтобы эти некодирующие регуляторные элементы контролировали гены, туго закрученные спирали ДНК разматываются, что является признаком того, что регуляторный элемент взаимодействует с геном, активируя его или, в некоторых случаях, отключая его.

В ходе исследования исследователи использовали технологию под названием ATAC-seq для определения областей генома, в которых происходит это распутывание. Мазо-Варгас сравнил профили ATAC-seq крыльев пяти видов бабочек, чтобы определить генетические области, участвующие в развитии рисунка крыльев. Они были удивлены, обнаружив, что большое количество регуляторных областей было общим для очень разных видов бабочек.

Затем Мазо-Варгас и его коллеги применили технологию редактирования генов CRISPR-Cas, чтобы отключить 46 регуляторных элементов по одному, чтобы увидеть влияние на структуру крыльев, когда каждая из этих некодирующих последовательностей ДНК была нарушена. При удалении каждый некодирующий элемент изменил аспект узоров крыльев бабочек.

Исследователи обнаружили, что у четырех видов — Junonia coenia (конский каштан), Vanessa cardui (раскрашенная дама), Heliconius himera и Agraulis vanillae (каштановый рябчик) — каждый из этих некодирующих элементов имел сходные функции по отношению к гену WntA. доказывая, что они были древними и законсервированными, вероятно, происходящими от далекого общего предка.

Они также обнаружили, что D. plexippus (монарх) использовал регуляторные элементы, отличные от четырех других видов, для управления своим геном WntA, возможно, потому, что он потерял часть своей генетической информации за свою историю и ему пришлось заново изобретать свою собственную регуляторную систему для развития своего уникального цвета. узоры.

«Мы постепенно пришли к пониманию того, что большая часть эволюции происходит из-за мутаций в этих некодирующих областях», — сказал Рид. «Я надеюсь, что эта статья станет примером, показывающим, как люди могут использовать эту комбинацию ATAC-seq и CRISPR, чтобы начать исследовать эти интересные области в своих собственных системах исследования, независимо от того, работают ли они с птицами, мухами или червями. »