Как крылья бабочек приобретают красочные узоры
Бабочка-мутант, выставленная на продажу на eBay, помогла перевернуть представление натуралистов о том, как крылья бабочки приобретают замысловатое разнообразие красных, желтых, белых и черных полос. Это и недавние исследования других бабочек показывают, что видимые признаки у многих животных могут контролироваться одним и тем же малоизученным генетическим регуляторным механизмом, основанным не на белках, а на РНК.
В 2016 году генетики полагали, что большая часть вариаций рисунка крыльев связана с геном, кодирующим белок. Но теперь три команды доказали, что ключом является другой ген, который ранее отсутствовал из-за того, что он перекрывается с корой головного мозга. Его конечным продуктом является не белок, а РНК, которая регулирует гены, отвечающие за пигментацию черного и других оттенков крыльев. Одна команда также показала, что РНК распадается на более мелкие РНК, которые точно регулируют производство цветов. «Они решили загадку, которая заставила задуматься всех членов сообщества», — говорит Николас Гомпель из Боннского университета.
Открытие, подробно описанное сразу в трех препринтах, также представляет собой первый случай, когда длинная некодирующая РНК (днРНК), названная так потому, что она не кодирует белки, была связана с эволюцией видимого признака у животных. «Теперь нам нужно уделять больше внимания некодирующей РНК», — говорит Илик Саккери из Ливерпульского университета и член одной из команд, занимавшихся корой головного мозга.
Для эволюционного биолога-эволюциониста Луки Ливраги, сейчас работающего в Университете Джорджа Вашингтона, ключевой прорыв произошел, когда коллега рассказал ему и Джозефу Хэнли, биоинформатику из Университета Дьюка, о совершенно белых бабочках Heliconius, продаваемых на eBay. Когда они секвенировали десятки этих так называемых мутантов слоновой кости, они обнаружили делецию в области гена коры головного мозга. Затем они поняли, что недостающая ДНК включает в себя последовательность, кодирующую днРНК, которую никто никогда внимательно не исследовал. Работая с бабочками Vanessa cardui, которые имеют красочные крылья и которых легко разводить в лаборатории, они использовали генный редактор CRISPR, чтобы отключить только ген днРНК. В результате редактирования были получены белокрылые раскрашенные дамы, похожие на Геликония цвета слоновой кости, о чем они сообщили в препринте на bioRxiv. Отключение коры не дало никакого эффекта.
Более того, команда Ливраги обнаружила, что эта же днРНК также контролирует черную и другую пигментацию чешуи других видов бабочек, некоторые из которых имеют отдаленное родство. «Теперь мы должны прийти к выводу, что ключевым регулятором является РНК, а не белок», — говорит Питер Холланд, биолог-эволюционист из Оксфордского университета, который не участвовал ни в одной из новых работ.
Мутант-белая бабочка, опубликованный на платформе социальных сетей X, предупредил Ливраги о команде, стоящей за третьим новым препринтом: биологах-эволюционистах Антонии Монтейро и Шэнь Тянь из Национального университета Сингапура. Они были сосредоточены на микроРНК — коротких последовательностях РНК, которые, как известно, регулируют активность генов у растений, животных и других эукариот — организмов, упаковывающих свою ДНК в ядро. У бабочки Bicyclus Anynana, хорошо изученного тропического вида, они обнаружили, что микроРНК активна в рисунке черного крыла, точно так же, как Ливраги обнаружил для днРНК слоновой кости.
Когда сингапурская команда отключила ДНК, кодирующую эту микроРНК, mir-193, коричневые крылья куста стали светлее, сообщила команда в препринте bioRxiv. Выведение из строя mir-193 также имело драматические последствия у дальнего родственника Pieris canidia, изменив ее крылья с черным рисунком на полностью белые. Узнав о днРНК, идентифицированной двумя другими группами, Монтейро и Тиан пришли к выводу, что более длинная РНК расщепляется с образованием этих микроРНК.
«В этой маленькой части генома происходит многое», — говорит Виолен Ллоуренс, биолог-эволюционист из Французского колледжа. Она предупреждает, что в структуре крыльев бабочек, вероятно, играют роль и другие регуляторные элементы. Но тот факт, что одна и та же микроРНК точно регулирует окраску у очень отдаленных видов, «удивителен», говорит Аньи Мазо-Варгас, биолог-эволюционист из Университета Дьюка, работавший с Ридом. Она подозревает, что эти РНК окрашивают крылья большинства, если не всех, из 180 000 видов мотыльков и бабочек. А поскольку mir-193 консервативен во всем животном мире, Монтейро и Тиан считают, что ненасекомые также могут использовать эти регуляторные гены.