Science:颠覆认知!蝴蝶翅膀上的彩色图案并非基于蛋白质

一只在eBay上出售的变异蝴蝶帮助颠覆了博物学家对蝴蝶翅膀如何获得各种复杂的红、黄、白和黑条纹的看法。它和最近对其他蝴蝶的研究表明,许多动物的可见特征可能是由同样的未被探索的遗传调控机制控制的,这种机制不是基于蛋白质,而是基于RNA。

2016年,遗传学家认为他们已经将翅膀模式的大部分变异归咎于一种名为皮层的蛋白质编码基因。但是现在有三个团队已经证明了一个不同的基因是关键,这个基因之前因为与大脑皮层重叠而被忽略了。它的最终产物不是蛋白质,而是RNA,这种RNA调节着负责翅膀上黑色和其他颜色色素沉着模式的基因。一个研究小组还发现,RNA被分解成更小的RNA,可以微调颜色的产生。波恩大学的发育生物学家Nicolas Gompel说:“他们解决了一个让社区里的每个人都想知道的难题。”

这一发现在本月的三份预印本中有详细介绍,它也代表了长链非编码RNA (lncRNA)首次与动物的一种可见特征的进化联系起来。lncRNA之所以被称为长链非编码RNA,是因为它不编码蛋白质。利物浦大学(University of Liverpool)的进化生物学家Ilik Saccheri说:“现在我们必须更多地关注非编码RNA。”Saccheri是一个专注于大脑皮层的研究小组的成员。

对于现在乔治华盛顿大学的进化发育生物学家Luca Livraghi来说,关键的突破是当一位同事告诉他和杜克大学的生物信息学家Joseph Hanly,eBay上有纯白色的蝴蝶出售。当他们对几十个所谓的象牙突变体进行测序时,他们发现了皮质基因区域的缺失。然后,他们意识到缺失的DNA包括一个编码lncRNA的序列,而这个序列从来没有人仔细研究过。他们用彩蝶(Vanessa cardui)进行研究,彩蝶的翅膀是彩色的,在实验室里很容易繁殖,他们使用基因编辑器CRISPR来禁用lncRNA的基因。2月12日,他们在bioRxiv的预印本中报道说,这次编辑产生了白色翅膀的彩色女士,就像象牙色的Heliconius一样。使大脑皮层丧失功能则没有效果。

此外,Livraghi的研究小组发现,同样的lncRNA也控制着其他蝴蝶物种鳞片上的黑色和其他色素的沉积,其中一些是远亲。“我们现在必须得出结论,关键的调节因子是RNA,而不是蛋白质,”牛津大学(University of Oxford)的进化生物学家Peter Holland说,他没有参与这项新研究。

在这些研究进行到一半的一次会议上,Livraghi了解到,康奈尔大学的一个研究小组正在研究北美常见的七叶蝶(Junonia coenia)翅膀颜色模式,他们正在研究同样的lncRNA。这两个队决定协调他们的努力。

到了秋天,尤其是在美国东部,浅棕色的七叶树翅膀会变暗为深红色,使它们能够更有效地吸收热量。研究小组2月19日在bioRxiv上报告说,当康奈尔大学的进化生物学家罗伯特·里德和理查德·凡迪诺用CRISPR敲除了这些蝴蝶的lncRNA的不同部分时,它们出生时几乎没有颜色,而且它们的秋天变红也被改变了。

社交媒体平台X(以前的Twitter)上发布的一个白蝴蝶突变体让Livraghi注意到第三个新预印本背后的团队:新加坡国立大学的进化发育生物学家Antónia Monteiro和Shen Tian。他们的研究重点是microRNA,即在植物、动物和其他真核生物中调节基因活性的短RNA序列。在一种被充分研究过的热带物种眯眼灌木棕蝶(Bicyclus anynana)中,他们发现一种microRNA在黑色翅膀模式中很活跃,就像Livraghi在象牙翅膀模式中发现的lncRNA一样。

2月12日,该团队在bioRxiv预印本上报告说,当新加坡团队禁用编码这种microRNA mir-193的DNA时,灌木棕色翅膀变得更轻了。敲除mir-193也对其远亲印度白菜花(Pieris canidia)产生了巨大影响,将其黑色图案的翅膀变成了全白色。在了解了另外两个小组鉴定的lncRNA后,Monteiro和Tian得出结论,较长的RNA被分解以产生这些microRNA。

“在这一小部分基因组中发生了很多事情,”法国学院的进化生物学家Violaine Llaurens说。她警告说,其他的调节因素可能在蝴蝶的翅膀图案中起作用。但是,杜克大学的进化生物学家、曾与里德共事的Anyi Mazo-Vargas,事实上,同样的microRNA能在非常遥远的亲缘物种中微调颜色,这是“惊人的”。她怀疑,在18万种飞蛾和蝴蝶中,如果不是全部的话,这些rna在大多数情况下都会给翅膀着色。由于mir-193在动物界是保守的Monteiro和Tian认为非昆虫也可以利用这些调节基因。

康涅狄格大学(University of Connecticut)的进化生物学家Yaowu Yuan说,来自亲本lncRNAs的siRNAs也会影响植物的性状。他的团队去年报告称,所谓的siRNAs决定了猴子花的颜色。Yuan说,RNA领域正在扩大。“我非常肯定,很快会有更多类似的研究出现。”

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