Selon de nouvelles recherches, les modèles d’ailes de papillon ont un plan de base, qui est manipulé par un ADN régulateur non codant pour créer la diversité des ailes observées chez différentes espèces.
L’étude, « Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern ground plan », publiée en couverture du numéro du 21 octobre de La scienceexplique comment l’ADN qui se trouve entre les gènes – appelé ADN « indésirable » ou ADN régulateur non codant – s’adapte à un plan de base conservé sur des dizaines à des centaines de millions d’années tout en permettant aux modèles d’ailes d’évoluer extrêmement rapidement.
La recherche soutient l’idée qu’un ancien plan de base de motif de couleur est déjà codé dans le génome et que l’ADN régulateur non codant fonctionne comme des interrupteurs pour activer certains motifs et en désactiver d’autres.
« Nous sommes intéressés de savoir comment le même gène peut construire ces papillons d’apparence très différente », a déclaré Anyi Mazo-Vargas, Ph.D. ’20, premier auteur de l’étude et ancien étudiant diplômé du laboratoire de l’auteur principal, Robert Reed, professeur d’écologie et de biologie évolutive au Collège d’agriculture et des sciences de la vie. Mazo-Vargas est actuellement chercheur postdoctoral à l’Université George Washington.
« Nous voyons qu’il y a un groupe d’interrupteurs très conservé [non-coding DNA] qui travaillent dans différentes positions et sont activés et conduisent le gène », a déclaré Mazo-Vargas.
Des travaux antérieurs dans le laboratoire de Reed ont découvert des gènes clés du motif de couleur : un (WntA) qui contrôle les rayures et un autre (Optix) qui contrôle la couleur et l’irisation des ailes de papillon. Lorsque les chercheurs ont désactivé le gène Optix, les ailes sont apparues noires et lorsque le gène WntA a été supprimé, les motifs de rayures ont disparu.
Cette étude s’est concentrée sur l’effet de l’ADN non codant sur le gène WntA. Plus précisément, les chercheurs ont mené des expériences sur 46 de ces éléments non codants chez cinq espèces de papillons nymphalidés, qui constituent la plus grande famille de papillons.
Pour que ces éléments régulateurs non codants contrôlent les gènes, des bobines d’ADN étroitement enroulées se déroulent, signe qu’un élément régulateur interagit avec un gène pour l’activer ou, dans certains cas, le désactiver.
Dans l’étude, les chercheurs ont utilisé une technologie appelée ATAC-seq pour identifier les régions du génome où se produit ce démêlage. Mazo-Vargas a comparé les profils ATAC-seq des ailes de cinq espèces de papillons, afin d’identifier les régions génétiques impliquées dans le développement du motif des ailes. Ils ont été surpris de constater qu’un grand nombre de régions régulatrices étaient partagées par des espèces de papillons très différentes.
Mazo-Vargas et ses collègues ont ensuite utilisé la technologie d’édition de gènes CRISPR-Cas pour désactiver 46 éléments régulateurs un par un, afin de voir les effets sur les modèles d’ailes lorsque chacune de ces séquences d’ADN non codantes était brisée. Une fois supprimé, chaque élément non codant a modifié un aspect des motifs des ailes des papillons.
Les chercheurs ont découvert que sur quatre des espèces – Junonia coenia (buckeye), Vanessa cardui (femme peinte), Heliconius himera et Agraulis vanillae (gulf fritillary) – chacun de ces éléments non codants avait des fonctions similaires par rapport au gène WntA, prouvant qu’ils étaient anciens et conservés, probablement originaires d’un lointain ancêtre commun.
Ils ont également découvert que D. plexippus (monarque) utilisait différents éléments de régulation des quatre autres espèces pour contrôler son gène WntA, peut-être parce qu’il avait perdu certaines de ses informations génétiques au cours de son histoire et devait réinventer son propre système de régulation pour développer sa couleur unique. motifs.
« Nous avons progressivement compris que la plupart des évolutions se produisent à cause de mutations dans ces régions non codantes », a déclaré Reed. « Ce que j’espère, c’est que cet article sera une étude de cas qui montrera comment les gens peuvent utiliser cette combinaison d’ATAC-seq et de CRISPR pour commencer à interroger ces régions intéressantes dans leurs propres systèmes d’étude, qu’ils travaillent sur des oiseaux, des mouches ou des vers. »
Anyi Mazo-Vargas et al, Homologie cis-régulatrice profonde du plan au sol du motif d’aile de papillon, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abi9407