Глазчатые пятна бабочек используют регуляторную сеть генов, общую с антеннами, ногами и крыльями
Глазчатые пятна — контрастные круговые узоры на крыльях многих видов бабочек — используются для отпугивания или отвлечения хищников. Учёные под руководством профессора Антонии Монтейру из Национального университета Сингапура исследовали эволюционное происхождение этих пятен. Они обнаружили, что глазчатые пятна, вероятно, возникли в результате рекрутирования сложной сети генов, которая уже функционировала в организме бабочек для формирования антенн, ног и даже крыльев.
"Наше исследование показывает, как могут возникать новые сложные признаки. Для развития таких признаков требуется взаимодействие множества генов. Мы выяснили, что бабочки используют подход рекрутирования сети генов для создания глазчатых пятен и определили конкретную сеть генов, которая, вероятно, была задействована", — сказала профессор Монтейру.
Результаты были впервые опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 16 февраля 2022 года.
Как устроены организмы: логика "подпрограмм"
Процесс развития организма закодирован в ДНК с помощью генных регуляторных сетей — цепочек инструкций, которые включают или выключают несколько генов в определённой последовательности. Новое исследование показало, что развитие глазчатых пятен на крыльях бабочек зависит от запуска уже существующей регуляторной сети, которая использовалась для построения антенн, ног и крыльев.
Это можно сравнить с подпрограммой в компьютерном коде: один набор инструкций (подпрограмма) написан один раз, но может вызываться многократно в разных частях программы для выполнения конкретной задачи.
Доказательства рекрутирования генной сети
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи удалили уникальные регуляторные последовательности ДНК (но не сами гены) рядом с генами Distal-less и spalt. Мутации в этих участках длиной около 390–700 пар оснований нарушили развитие глазчатых пятен, антенн, ног и крыльев одновременно. "Было удивительно наблюдать, как одни и те же изменения в ДНК влияют на такие значимые сложные признаки", — отметила доктор Хайди Коннас.
Секвенирование тканей, из которых развиваются глазчатые пятна, показало, что их профиль экспрессии генов наиболее близок к профилю антенн, но не ног или других тканей крыла. Доктор Юдзи Мацуока исследовал три гена, экспрессирующиеся и в глазчатых пятнах, и в антеннах, и показал, что регуляторные связи между ними идентичны: один ген важен для регуляции двух других.
Эволюционный механизм
Исследование демонстрирует, что эволюция новых сложных признаков, таких как глазчатые пятна, происходит через мутации, которые "вызывают" уже существующую в геноме "подпрограмму", ранее использовавшуюся для других сложных структур.
Следующий шаг — проверить, могут ли регуляторные последовательности этих двух генов от видов бабочек без глазчатых пятен активировать экспрессию генов в области пятен у видов, которые их имеют. "Это будет вишенкой на торте", — сказала профессор Монтейру, — "так как окончательно подтвердит, что генетическая последовательность из старой "подпрограммы" может быть вызвана в новом месте тела у видов с соответствующей мутацией".