Узоры крыльев бабочек создаются древней "мусорной" ДНК
Узоры на крыльях бабочек имеют общий базовый план, который регулируется некодирующей ДНК для создания разнообразия, наблюдаемого у разных видов.
Исследование, опубликованное на обложке журнала Science 21 октября под названием "Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern ground plan", объясняет, как ДНК, расположенная между генами (так называемая "мусорная" или некодирующая регуляторная ДНК), сохраняет базовый план, существующий десятки и сотни миллионов лет, и одновременно позволяет узорам на крыльях эволюционировать чрезвычайно быстро.
Работа подтверждает идею, что древний план цветового узора уже закодирован в геноме, а некодирующая регуляторная ДНК работает как переключатели, усиливая одни узоры и подавляя другие.
Как один ген строит разных бабочек
Предыдущие работы лаборатории Роберта Рида выявили ключевые гены цветового узора: WntA (контролирует полосы) и Optix (контролирует цвет и иризацию). При "отключении" Optix крылья становились черными, а при удалении WntA исчезали полосатые узоры.
Новое исследование сосредоточилось на влиянии некодирующей ДНК на ген WntA. Ученые провели эксперименты с 46 такими некодирующими элементами у пяти видов нимфалидных бабочек — самого большого семейства бабочек.
Методы: ATAC-seq и CRISPR-Cas9
Для взаимодействия с генами туго свернутые спирали ДНК раскручиваются. Ученые использовали технологию ATAC-seq, чтобы идентифицировать области в геноме, где происходит это раскручивание и, следовательно, активация генов, связанных с развитием узора крыла.
Затем с помощью технологии CRISPR-Cas9 они поочередно "ломали" (делетировали) 46 регуляторных элементов, чтобы увидеть эффект на узорах крыльев. Удаление каждого некодирующего элемента изменяло определенный аспект узора.
Консервация и инновации
Исследователи обнаружили, что у четырех видов — Junonia coenia, Vanessa cardui, Heliconius himera и Agraulis vanillae — функции этих некодирующих элементов по отношению к гену WntA были схожими. Это доказывает их древнее происхождение и консервативность — они, вероятно, унаследованы от далекого общего предка.
Однако у пятого вида, Danaus plexippus (монарх), для контроля гена WntA использовались другие регуляторные элементы. Возможно, этот вид утратил часть генетической информации в ходе эволюции и был вынужден "изобрести" собственную регуляторную систему для развития уникальных цветовых узоров.
Значение исследования
Работа демонстрирует, как комбинация методов ATAC-seq и CRISPR позволяет изучать роль некодирующих регуляторных областей ДНК в эволюции сложных признаков, что применимо не только к бабочкам, но и к другим организмам.