Ein internationales Forscherteam hat einen überraschenden genetischen Mechanismus entdeckt, der die lebendigen und komplexen Muster auf Schmetterlingsflügeln beeinflusst. In einer Studie veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenDas von Luca Livraghi von der George Washington University und der University of Cambridge geleitete Team entdeckte, dass ein RNA-Molekül und nicht, wie bislang angenommen, ein Protein eine entscheidende Rolle bei der Verteilung des schwarzen Pigments auf den Flügeln des Schmetterlings spielt.
Wie Schmetterlinge die leuchtenden Muster und Farben auf ihren Flügeln erzeugen können, fasziniert Biologen seit Jahrhunderten. Der genetische Code in den Zellen sich entwickelnder Schmetterlingsflügel bestimmt die spezifische Anordnung der Farben auf den Flügelschuppen – den mikroskopischen Kacheln, die die Flügelmuster bilden – ähnlich der Anordnung farbiger Pixel bei der Bildung eines digitalen Bildes. Das Knacken dieses Codes ist grundlegend für das Verständnis, wie unsere eigenen Gene unsere Anatomie aufbauen. Im Labor können Forscher diesen Code bei Schmetterlingen mit Gen-Editierungswerkzeugen manipulieren und die Auswirkungen auf sichtbare Merkmale wie die Färbung eines Flügels beobachten.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass proteinkodierende Gene für diese Prozesse von entscheidender Bedeutung sind. Diese Art von Genen erzeugt Proteine, die bestimmen können, wann und wo eine bestimmte Skala ein bestimmtes Pigment erzeugen soll. Bei schwarzen Pigmenten dachten die Forscher, dass dieser Prozess nicht anders sein würde, und vermuteten zunächst ein proteinkodierendes Gen. Die neue Forschung zeichnet jedoch ein anderes Bild.
Das Team entdeckte ein Gen, das ein RNA-Molekül (kein Protein) produziert und steuert, wo während der Metamorphose des Schmetterlings dunkle Pigmente entstehen. Mithilfe der Genom-Editiertechnik CRISPR zeigten die Forscher, dass Schmetterlinge ihre schwarz pigmentierten Schuppen vollständig verlieren, wenn man das Gen entfernt, das das RNA-Molekül produziert. Dies zeigt einen klaren Zusammenhang zwischen RNA-Aktivität und dunkler Pigmententwicklung.
„Was wir fanden, war erstaunlich“, sagte Livraghi, ein Postdoktorand bei GW. „Dieses RNA-Molekül beeinflusst direkt, wo das schwarze Pigment auf den Flügeln erscheint, und formt die Farbmuster des Schmetterlings auf eine Weise, die wir nicht erwartet hatten.“
Die Forscher untersuchten außerdem, wie das RNA-Molekül während der Flügelentwicklung funktioniert. Bei der Untersuchung seiner Aktivität stellten sie fest, dass es eine perfekte Korrelation zwischen dem Ort der RNA-Expression und der Bildung schwarzer Schuppen gibt.
„Wir waren erstaunt, dass dieses Gen dort aktiviert wird, wo sich schließlich die schwarzen Schuppen auf den Flügeln entwickeln, und zwar mit höchster Präzision“, sagte Arnaud Martin, außerordentlicher Professor für Biologie an der GW. „In diesem Sinne ist es wirklich ein evolutionärer Pinselstrich, und zwar ein kreativer, wenn man seine Auswirkungen auf mehrere Arten betrachtet.“
Die Forscher untersuchten die neu entdeckte RNA bei mehreren anderen Schmetterlingen, deren Evolutionsgeschichte sich vor etwa 80 Millionen Jahren trennte. Sie fanden heraus, dass sich die RNA bei jeder dieser Arten so entwickelt hatte, dass sie neue Platzierungen in den Mustern dunkler Pigmente steuerte.
„Die konsistenten Ergebnisse, die mit CRISPR-Mutanten in mehreren Arten erzielt wurden, zeigen wirklich, dass dieses RNA-Gen keine neue Erfindung ist, sondern ein wichtiger, ursprünglicher Mechanismus zur Kontrolle der Flügelmustervielfalt“, sagte Riccardo Papa, Professor für Biologie an der Universität von Puerto Rico – Río Piedras.
„Wir und andere haben uns dieses genetische Merkmal nun bei vielen verschiedenen Schmetterlingsarten angesehen und stellen bemerkenswerterweise fest, dass dieselbe RNA immer wieder verwendet wird, von Langflügelfaltern bis hin zu Monarchfaltern und Distelfaltern“, sagte Joe Hanly, Postdoktorand und Gastdozent bei GW. „Es ist eindeutig ein entscheidendes Gen für die Entwicklung von Flügelmustern. Ich frage mich, welche anderen, ähnlichen Phänomene Biologen möglicherweise übersehen haben, weil sie der dunklen Materie des Genoms keine Beachtung geschenkt haben.“
Die Erkenntnisse stellen nicht nur langjährige Annahmen zur genetischen Regulierung in Frage, sondern eröffnen auch neue Wege zur Erforschung der Entwicklung sichtbarer Merkmale bei Tieren.
Die Studie „Eine lange nicht-kodierende RNA am Cortex-Locus steuert die adaptive Färbung bei Schmetterlingen“ wurde veröffentlicht am 30. August 2024 im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Weitere Informationen:
Luca Livraghi et al., Eine lange nicht-kodierende RNA am Cortex-Locus steuert die adaptive Färbung bei Schmetterlingen, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2403326121