Schmetterlingsflügelmuster haben einen grundlegenden Plan, der durch nicht-codierende regulatorische DNA manipuliert wird, um die Vielfalt der Flügel zu erzeugen, die bei verschiedenen Arten zu sehen sind, so neue Forschungsergebnisse.
Die Studie „Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern groundplan“ wurde als Titelgeschichte in der Ausgabe vom 21. Oktober veröffentlicht Wissenschafterklärt, wie DNA, die sich zwischen Genen befindet – sogenannte „Junk“-DNA oder nicht codierende regulatorische DNA – einen Grundplan aufnimmt, der über Zehn- bis Hundertmillionen von Jahren konserviert wurde, während sie gleichzeitig die extrem schnelle Entwicklung von Flügelmustern ermöglicht.
Die Forschung unterstützt die Idee, dass ein uralter Farbmustergrundriss bereits im Genom codiert ist und dass nicht codierende regulatorische DNA wie Schalter funktioniert, um einige Muster zu aktivieren und andere zu deaktivieren.
„Wir sind daran interessiert zu wissen, wie das gleiche Gen diese sehr unterschiedlich aussehenden Schmetterlinge erzeugen kann“, sagte Anyi Mazo-Vargas, Ph.D. ’20, Erstautor der Studie und ehemaliger Doktorand im Labor des leitenden Autors Robert Reed, Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie am College of Agriculture and Life Sciences. Mazo-Vargas ist derzeit Postdoktorandin an der George Washington University.
„Wir sehen, dass es eine sehr konservierte Gruppe von Schaltern gibt [non-coding DNA] die in verschiedenen Positionen arbeiten und aktiviert sind und das Gen antreiben“, sagte Mazo-Vargas.
Frühere Arbeiten in Reeds Labor haben Schlüsselgene für Farbmuster aufgedeckt: eines (WntA), das Streifen steuert, und ein anderes (Optix), das Farbe und Schillern in Schmetterlingsflügeln steuert. Als die Forscher das Optix-Gen deaktivierten, erschienen die Flügel schwarz, und als das WntA-Gen gelöscht wurde, verschwanden die Streifenmuster.
Diese Studie konzentrierte sich auf die Wirkung von nicht-kodierender DNA auf das WntA-Gen. Insbesondere führten die Forscher Experimente mit 46 dieser nicht codierenden Elemente in fünf Arten von Nymphaliden durch, der größten Schmetterlingsfamilie.
Damit diese nicht-codierenden regulatorischen Elemente Gene kontrollieren können, werden eng gewickelte DNA-Knäuel abgewickelt, ein Zeichen dafür, dass ein regulatorisches Element mit einem Gen interagiert, um es zu aktivieren oder in einigen Fällen auszuschalten.
In der Studie verwendeten die Forscher eine Technologie namens ATAC-seq, um Regionen im Genom zu identifizieren, in denen diese Enträtselung stattfindet. Mazo-Vargas verglich ATAC-seq-Profile von Flügeln von fünf Schmetterlingsarten, um genetische Regionen zu identifizieren, die an der Flügelmusterentwicklung beteiligt sind. Sie waren überrascht, als sie feststellten, dass sehr unterschiedliche Schmetterlingsarten eine große Anzahl regulatorischer Regionen gemeinsam hatten.
Mazo-Vargas und Kollegen setzten dann die CRISPR-Cas-Geneditierungstechnologie ein, um 46 regulatorische Elemente einzeln zu deaktivieren, um die Auswirkungen auf die Flügelmuster zu sehen, wenn jede dieser nicht kodierenden DNA-Sequenzen gebrochen wurde. Beim Löschen veränderte jedes nicht codierende Element einen Aspekt der Flügelmuster der Schmetterlinge.
Die Forscher fanden heraus, dass bei vier der Arten – Junonia coenia (Rosskastanie), Vanessa cardui (Bemalte Dame), Heliconius himera und Agraulis Vanillae (Golf-Scheckenfalter) – jedes dieser nicht-codierenden Elemente ähnliche Funktionen in Bezug auf das WntA-Gen hatte. was beweist, dass sie alt und konserviert waren und wahrscheinlich von einem entfernten gemeinsamen Vorfahren stammten.
Sie fanden auch heraus, dass D. plexippus (Monarch) verschiedene regulatorische Elemente der anderen vier Arten verwendete, um sein WntA-Gen zu kontrollieren, vielleicht weil es im Laufe seiner Geschichte einen Teil seiner genetischen Information verlor und sein eigenes regulatorisches System neu erfinden musste, um seine einzigartige Farbe zu entwickeln Muster.
„Wir haben nach und nach verstanden, dass die meiste Evolution aufgrund von Mutationen in diesen nicht codierenden Regionen stattfindet“, sagte Reed. „Ich hoffe, dass dieses Papier eine Fallstudie sein wird, die zeigt, wie Menschen diese Kombination aus ATAC-seq und CRISPR verwenden können, um diese interessanten Regionen in ihren eigenen Studiensystemen zu untersuchen, unabhängig davon, ob sie an Vögeln, Fliegen oder Würmern arbeiten. “
Anyi Mazo-Vargas et al., Tiefe cis-regulatorische Homologie des Grundrisses des Schmetterlingsflügelmusters, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abi9407