Ген doublesex контролирует мимикрию крыльев у бабочек

Учёные из Чикагского университета сообщили 5 марта в журнале Nature, что сложные узоры, цвета и структуры крыльев, необходимые для мимикрии у парусников, регулирует всего один ген. Удивительно, что этот ген, doublesex, уже хорошо известен своей критической ролью в половой дифференциации у насекомых.

"Общепринятая точка зрения гласит, что за весь рисунок крыла бабочки должны отвечать несколько генов, работающих вместе, — сказал Маркус Кронфорст, старший автор исследования. — Но в данном случае это всего лишь один. Этот единственный ген, контролирующий половую дифференциацию, был заимствован для выполнения совершенно новой работы".

Изучаемая веками как пример естественного отбора, мимикрия рисунка крыльев позволяет нетоксичным видам бабочек имитировать узор, цвет и форму крыльев токсичного вида, чтобы отпугивать хищников. У некоторых парусников этот процесс регулируется одним участком генома. Из-за сложности форм, связанных с мимикрией, исследователи предполагали, что этот регион содержит "суперген" — несколько тесно сцепленных генов, каждый из которых контролирует часть рисунка крыла. Однако об этом гипотетическом супергене мимикрии было мало известно.

Чтобы выявить его функцию, команда Кронфорста изучила азиатского парусника Papilio polytes, у которого наблюдается ограниченная полом мимикрия. Самки обладают одним из четырёх различных рисунков крыльев, три из которых имитируют токсичные виды, в то время как оставшаяся форма самок и все самцы остаются не-миметическими.

С помощью генетического картирования, включавшего скрещивание бабочек с разными рисунками крыльев и сравнение геномов около 500 потомков, команда выявила пять возможных генов, участвующих в мимикрии. Затем они секвенировали геномы 30 бабочек, поровну разделённых на миметических и не-миметических, и искали корреляции между этими конкретными генами и рисунком крыла.

К их удивлению, ассоциацию показал только один ген — doublesex. Хорошо известный как ген, контролирующий половую дифференциацию у насекомых, doublesex функционирует путём альтернативного сплайсинга. При копировании в матричную РНК он разрезается и перестраивается в разные изоформы, которые затем инструктируют клетки, должны ли они быть мужскими или женскими.

Команда Кронфорста обнаружила, что doublesex в Papilio polytes также альтернативно сплайсируется в несколько изоформ. Две из них, в частности, экспрессировались в крыльях миметических бабочек на чрезвычайно высоком уровне по сравнению с не-миметическими самками. Проследив за белком doublesex от гусеницы к куколке и бабочке, команда обнаружила, что экспрессия doublesex точно совпадает с рисунком крыла.

"Когда вы смотрите на ткань крыла в куколке через пять дней после её формирования, это просто гибкий кусок белой ткани, — сказал Кронфорст. — Но когда вы смотрите на то, где производится doublesex на крыле, это выглядит в точности как будущий рисунок крыла взрослой особи".

Как один ген контролирует так много различных функций, остаётся неясным. Кронфорст предполагает, что роль может играть некодирующая регуляторная ДНК, контролирующая, когда и где экспрессируется doublesex. Команда также обнаружила, что у миметических бабочек ген doublesex инвертирован в геноме. Эта инверсия исключает возможность рекомбинации — аллели остаются отличными друг от друга и накапливают различные мутации. Это привело к структурным различиям в белке doublesex между миметическими и не-миметическими бабочками. Поскольку doublesex является фактором транскрипции и активирует другие гены, исследователи полагают, что эти различия также могут способствовать вариациям рисунка крыла.

"Мы проиллюстрировали генетическую основу ограниченной самками мимикрии у этих бабочек, — сказал Вэй Чжан, соавтор исследования. — Но это только первый шаг. То, как doublesex оказался вовлечён в этот процесс, всё ещё неясно и требует дальнейшего изучения".

Ведущий автор исследования Крушнамег Кунте ожидает, что будущие исследования определят, будет ли этот тип явления обнаружен у других видов. "Мы изучаем это в контексте мимикрии, но возможно, что этот путь половой дифференциации, который мы обнаружили у бабочек, может быть путём, более широко важным для ограниченного полом полиморфизма".