Раскрыты механизмы формирования окраски у животных
Яркие цвета и узоры, которые животные используют для взаимодействия со средой, восхищали и вдохновляли людей с древнейших времен. Однако то, как разные существа — от птиц и рыб до бабочек и змей — создают и используют эти узоры, оставалось одной из главных загадок природы.
Команда исследователей из Медицинского института Говарда Хьюза при Университете Висконсин-Мэдисон раскрыла детали того, как животные формируют новые узоры окраски с нуля. Результаты многолетней работы опубликованы 7 апреля в журнале Nature.
«Как возникают сложные узоры? Этот вопрос давно интересует биологов», — говорит Шон Кэрролл, молекулярный биолог и старший автор статьи. — «Сначала у нас не было ни одной зацепки. Но теперь мы, кажется, выявили все ключевые компоненты, и считаем, что они применимы ко многим животным».
Исследование впервые предоставило конкретные доказательства давно гипотетизированной системы генерации цветовых узоров (полос, пятен и т.д.), которые животные используют для маскировки или привлечения партнера. В частности, группа из Висконсина впервые идентифицировала морфоген, индуцирующий окраску — диффундирующий белок, который дает определенным клеткам команду производить пигмент.
Чтобы раскрыть секрет, Кэрролл и его коллеги (Томас Вернер, Шигейуки Косикава и Томас Уильямс) изучили молекулярные детали и эволюционную историю формирования сложного узора из 16 пятен на крыльях у североамериканского вида плодовой мушки Drosophila guttifera.
Группа обнаружила, что ключевую роль играет морфоген, кодируемый геном Wingless. На поздних стадиях развития крыла этот белок производится, диффундирует через ткань и заставляет клетки в определенных областях крыла вырабатывать пигмент. «Он действует, заставляя клетки-мишени что-то делать, в данном случае — производить цвет», — объясняет Кэрролл.
У Drosophila guttifera действие морфогена привязано к существующим физическим ориентирам, таким как пересечения жилок на крыле. Таким образом, позиционирование пятен диктуется этими предсуществующими паттернами.
Роль морфогена Wingless была детально изучена с помощью трудоемкого генетического манипулирования мухами, которое заняло три года и потребовало инъекций почти в 20 000 эмбрионов. Проект осложнялся тем, что Drosophila guttifera редко используется в исследованиях и ее геном не секвенирован.
Однако, встраивая ген Wingless в разные части генома мухи, команда смогла успешно манипулировать узором на крыле, создавая полосы вместо пятен и паттерны, не встречающиеся в природе. «Мы можем создавать мух на заказ», — отмечает Кэрролл. — «Мы можем сделать полосатых мух из пятнистых».
Помимо молекулярных деталей, группа Кэрролла смогла вывести эволюционную историю окраски крыльев у Drosophila guttifera. Узоры возникли благодаря тому, что муха начала «включать» ген Wingless в тех местах, где он раньше не был активен.
Хотя исследование проводилось на плодовой мушке, выявленные принципы, по мнению Кэрролла, скорее всего, применимы ко многим животным — от бабочек до удавов. «Это и есть формирование и эволюция окраски у животных».