Расшифрован черновой геном бабочки монарха

Каждой осенью миллионы бабочек монархов из восточной части США используют "солнечный компас" с поправкой на время для навигации на юг, преодолевая до 2000 миль к месту зимовки в конкретной роще пихт в центральной Мексике. Учёных давно интересуют биологические механизмы, позволяющие поколениям этих хрупких существ преодолевать такие расстояния к небольшому региону площадью около 300 квадратных миль. Чтобы раскрыть генетические и регуляторные элементы, важные для этого удивительного путешествия, нейробиологи из Медицинской школы Массачусетского университета (UMMS) впервые секвенировали и проанализировали геном бабочки монарха.

"Мигрирующие монархи отдалены как минимум на два поколения от тех, кто совершил путешествие предыдущей осенью, — сказал Стивен М. Репперт, старший автор исследования. — Они никогда не были на местах зимовки и не имеют родственников, за которыми могли бы следовать. Должна существовать генетическая программа, лежащая в основе миграционного поведения. Мы хотим узнать, что это за программа и как она работает".

В статье, опубликованной в журнале Cell, Репперт и его коллеги описывают, как с помощью технологии секвенирования нового поколения был получен черновой геном мигрирующего монарха размером 273 Мб. Анализ выявил ориентировочный набор из 16 866 белков-кодирующих генов, включая несколько семейств генов, вероятно, вовлечённых в ключевые аспекты сезонной миграции. Новые инсайты, обнаруженные в геноме, включают:

• гены, участвующие в зрительном восприятии и центральной обработке информации "солнечным компасом";
• полный набор молекулярных компонентов циркадных часов монарха;
• все элементы пути биосинтеза ювенильного гормона, чья регуляция критична для успешной миграции и демонстрирует неожиданную паттерну;
• дополнительные молекулярные признаки ориентированного полёта;
• специфичные для монарха расширения семейств обонятельных рецепторов, потенциально важных для дальних миграций;
• вариант натрий-калиевого насоса, лежащий в основе химического защитного механизма от хищников во время миграции.

"Почему секвенировать ещё один вид? — отмечает Лори Томпкинс из NIH. — В данном случае потому, что бабочки монархи исключительны своей сезонной миграцией на тысячи миль. Геномная последовательность предоставляет сырой материал для понимания удивительных поведенческих и физиологических адаптаций". Понимание связи между генами, поведением и адаптациями у монархов может также пролить свет на аналогичные связи у людей. Например, циркадные часы — ключевой компонент системы навигации монарха — играют важную роль в биологии человека, влияя на суточные вариации уровня гормонов, фармакокинетику и процессы заболеваний.

"Фундаментальные процессы мозга, связанные с навигацией при дальних миграциях, было сложно расшифровать, — сказал Репперт. — Изучение генетической основы миграции монарха может помочь понять эти механизмы не только у них, но и у других мигрантов, включая перелётных птиц и морских черепах".