Возврат диапаузы шелкопряда к предковому состоянию с помощью редактирования генов
Диапауза — это явление, при котором животные и насекомые предвидят изменения в окружающей среде и активно снижают метаболизм или останавливают регулярную дифференцировку и развитие. Это стратегия адаптации к неблагоприятным условиям, например, для переживания зимы, а также для обеспечения равномерного роста поколения.
Исследователи из Университета Синсю, «выключив» гены, позволяющие шелкопряду определять температуру, обнаружили, что диапауза шелкопряда меняется с температурно-зависимой на фотопериодическую (зависящую от длины дня). Это не только ценно для выяснения молекулярного механизма реакции организмов на окружающую среду, но и является важным открытием для изучения процесса одомашнивания шелкопряда. Производство диапаузирующих и недиапаузирующих яиц путем искусственного регулирования температуры окружающей среды широко используется в шелководстве более 100 лет.
У домашнего шелкопряда (Bombyx mori) типа Косэцу взрослые самки откладывают диапаузирующие яйца при 25 °C и недиапаузирующие — при 15 °C в период своего эмбрионального развития. Было известно, что температурный сенсор TRPA1 (белок, чувствительный к температуре, обнаруженный у людей и насекомых) определяет 25 °C на эмбриональной стадии, в результате чего высвобождается пептидный гормон, индуцирующий диапаузу (DH). Этот гормон производится в клетках субоэзофагеального ганглия и высвобождается по команде мозга для откладки диапаузирующего яйца.
У дикого предка (Bombyx mandarina), который, как полагают, был одомашнен 5000–10000 лет назад и до сих пор обитает в природе, диапауза также происходит на стадии яйца, но не зависит от температуры на эмбриональной стадии матери. Вместо этого она определяется фотопериодом на стадии личинки: недиапаузирующие яйца откладываются в условиях длинного дня, а диапаузирующие — в условиях короткого дня.
Профессор Кунихиро Сиоми и его группа обнаружили, что диапауза яиц у Bombyx mandarina также индуцируется гормоном DH, и что температурный сенсор TRPA1, определяющий 25 °C, присутствует и в их яйцах.
Чтобы выяснить, чем различаются механизмы индукции диапаузы, группа создала нокаутную (KO) линию шелкопряда по гену TRPA1 с помощью технологии редактирования генома (система TALEN). Исследование показало, что у этой KO-линии диапауза больше не определяется температурой на эмбриональной стадии (как у исходного типа Косэцу), а зависит от длины дня на личиночной стадии, как у Bombyx mandarina. То есть, они откладывали диапаузирующие яйца в условиях короткого дня и недиапаузирующие — в условиях длинного дня.
Это означает, что у дикого типа Косэцу существует сильная связь между температурной информацией и индукцией диапаузы, а у KO-типа эта связь разорвана, что возвращает механизм к предковому, фотопериодическому. Вероятно, в процессе искусственного отбора при одомашнивании от Bombyx mandarina к шелкопряду распространились подвиды (такие как тип Косэцу), у которых диапауза определяется температурой, поскольку искусственное регулирование температуры проще, чем регулирование длины светового дня.