研究表明蝴蝶翅膀图案平面图由非编码调控DNA操纵

根据一项新的研究，蝴蝶翅膀图案对它们有一个基本的计划，由非编码调节DNA操纵，以创造在不同物种中看到的翅膀的多样性。10月21日出版的《科学》杂志封面故事“蝴蝶翅膀图案平面图的深层顺式调控同源性”研究解释了位于基因之间的DNA(称为“垃圾”DNA或非编码调控DNA——容纳了一个保存了数亿年到数亿年的基本计划，同时允许翼型快速进化。

该研究支持这样一种观点，即基因组中已经编码了一个古老的颜色模式平面图，并且非编码调节DNA就像开关一样可以打开一些模式并拒绝其他模式。

“我们很想知道同一个基因如何构建这些外观截然不同的蝴蝶，”AnyiMazo-Vargas博士说。'20，该研究的第一作者和农业与生命科学学院生态与进化生物学教授罗伯特·里德实验室的前研究生。Mazo-Vargas目前是乔治华盛顿大学的博士后研究员。

“我们看到有一组非常保守的开关[非编码DNA]在不同的位置工作并被激活并驱动基因，”Mazo-Vargas说。

里德实验室之前的工作已经发现了关键的颜色模式基因：一个(WntA)控制条纹，另一个(Optix)控制蝴蝶翅膀的颜色和虹彩。当研究人员禁用Optix基因时，翅膀出现黑色，而当WntA基因被删除时，条纹图案消失了。

本研究的重点是非编码DNA对WntA基因的影响。具体来说，研究人员对5种若虫蝴蝶(最大的蝴蝶科)中的46种非编码元件进行了实验。

为了让这些非编码调控元件控制基因，紧密缠绕的DNA线圈会解开，这表明调控元件正在与基因相互作用以激活它，或者在某些情况下将其关闭。

在这项研究中，研究人员使用一种称为ATAC-seq的技术来识别基因组中发生这种解开的区域。Mazo-Vargas比较了五种蝴蝶翅膀的ATAC-seq谱，以确定参与翅膀图案发育的遗传区域。他们惊讶地发现，大量不同的蝴蝶物种共享大量的调控区域。

Mazo-Vargas及其同事随后使用CRISPR-Cas基因编辑技术一次禁用46个调节元件，以便查看当这些非编码DNA序列中的每一个被破坏时对翅膀图案的影响。删除后，每个非编码元素都会改变蝴蝶翅膀图案的一个方面。

研究人员发现，在四个物种中——Junoniacoenia(七叶树)、Vanessacardui(彩绘女士)、Heliconiushimera和Agraulisvanillae(海湾贝母)——这些非编码元件中的每一个都具有与WntA基因相似的功能，证明它们是古老且保存完好的，可能起源于遥远的共同祖先。

他们还发现，D.plexippus(君主)使用与其他四个物种不同的调节元件来控制其WntA基因，这可能是因为它在其历史上丢失了一些遗传信息，不得不重新发明自己的调节系统以形成其独特的颜色模式。

该研究由美国国家科学基金会(NSF)资助。

NSF项目主任西奥多·摩根说：“这项研究是我们理解复杂性状的遗传控制的一个突破，而不仅仅是蝴蝶。”“这项研究不仅展示了蝴蝶颜色模式的说明如何在进化历史中得到高度保守，而且还揭示了调控DNA片段如何对颜色和形状等特征产生积极和消极影响的新证据。”