Международная группа исследователей раскрыла удивительный генетический механизм, который влияет на яркие и сложные узоры на крыльях бабочек. В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, группа под руководством Луки Ливраги из Университета Джорджа Вашингтона и Кембриджского университета обнаружила, что молекула РНК, а не белок, как считалось ранее, играет ключевую роль в определении распределения черного пигмента на крыльях бабочек.
То, как именно бабочки способны генерировать яркие узоры и цвета на своих крыльях, завораживало биологов на протяжении столетий. Генетический код, содержащийся в клетках развивающихся крыльев бабочек, диктует определенное расположение цвета на чешуйках крыла — микроскопических плитках, которые формируют узоры крыльев — аналогично расположению цветных пикселей для формирования цифрового изображения. Взлом этого кода имеет основополагающее значение для понимания того, как наши собственные гены формируют нашу анатомию. В лаборатории исследователи могут манипулировать этим кодом у бабочек с помощью инструментов редактирования генов и наблюдать эффект на видимые признаки, такие как окраска крыла.
Ученые давно знали, что гены, кодирующие белки, имеют решающее значение для этих процессов. Эти типы генов создают белки, которые могут диктовать, когда и где конкретная чешуйка должна генерировать определенный пигмент. Когда дело доходит до черных пигментов, исследователи думали, что этот процесс не будет отличаться, и изначально задействовали ген, кодирующий белки. Однако новое исследование рисует иную картину.
Команда обнаружила ген, который производит молекулу РНК, а не белок, который контролирует, где производятся темные пигменты во время метаморфоза бабочки. Используя метод редактирования генома CRISPR, исследователи продемонстрировали, что при удалении гена, который производит молекулу РНК, бабочки полностью теряют свои черные пигментированные чешуйки, показывая четкую связь между активностью РНК и развитием темного пигмента.
«То, что мы обнаружили, было поразительным», — сказал Ливраги, научный сотрудник GW. «Эта молекула РНК напрямую влияет на то, где на крыльях появляется черный пигмент, формируя цветовые узоры бабочки таким образом, которого мы не ожидали».
Исследователи далее изучили, как молекула РНК функционирует во время развития крыла. Изучая ее активность, они наблюдали идеальную корреляцию между тем, где экспрессируется РНК, и тем, где образуются черные чешуйки.
«Мы были поражены, что этот ген включается там, где в конечном итоге на крыле разовьются черные чешуйки, с исключительной точностью», — сказал Арно Мартин из GW. «В этом смысле это действительно эволюционная кисть, и творческая, судя по ее воздействию на несколько видов».
Исследователи изучили недавно обнаруженную РНК у нескольких других бабочек, эволюционная история которых разошлась около 80 миллионов лет назад. Они обнаружили, что у каждого из этих видов РНК эволюционировала, чтобы контролировать новые размещения в узорах темных пигментов.
«Последовательные результаты, полученные с помощью мутантов CRISPR у нескольких видов, действительно демонстрируют, что этот ген РНК — не недавнее изобретение, а ключевой наследственный механизм, контролирующий разнообразие узоров крыльев», — сказал профессор Риккардо Папа из Университета Пуэрто-Рико в Рио-Пьедрас.
«Мы и другие теперь рассмотрели эту генетическую черту у многих различных видов бабочек, и, что примечательно, мы обнаружили, что эта же РНК используется снова и снова, от длиннокрылых бабочек до монархов и бабочек-расписных дам», — сказал Джо Хэнли из GW. «Это, несомненно, важный ген для эволюции узоров крыльев. Интересно, какие другие, похожие явления биологи могли упустить из виду, потому что не обращали внимания на темную материю генома».
Полученные результаты не только бросают вызов устоявшимся предположениям о генетической регуляции, но и открывают новые возможности для изучения того, как развиваются видимые признаки у животных.
