Учёные отредактировали пятна и полосы на крыльях бабочек
Международная группа исследователей из Смитсоновского института тропических исследований в Панаме выключила (нокаутировала) один управляющий ген в ДНК семи различных видов бабочек. В онлайн-выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences от 18 сентября они представили удивительные результаты «перепрограммирования» гена WntA: один ген влияет на огромное разнообразие узоров на крыльях бабочек в природе.
«Узоры на крыльях бабочек удивительны, — сказал Оуэн Макмиллан, сотрудник STRI и соавтор исследования. — Это настоящая эволюционная новинка, чрезвычайно разнообразная и сильно сформированная естественным и половым отбором. С помощью генной инженерии особей разных видов мы быстро приближаемся к пониманию того, как генерируется это разнообразие. Удивительно, но один ген, который используется многократно в процессе развития, может оказывать огромное влияние».
Белок WntA — это высококонсервативная сигнальная молекула. Ген WntA входит в небольшое семейство генов, влияющих на планы строения тела и другие узоры во время развития насекомых. Он кодирует секретируемый белковый молекулы, который действует как диффундирующий сигнал — так называемый морфоген, — определяющий положение специализированных типов клеток в ткани. Термин «морфоген» был введён Аланом Тьюрингом.
«Представьте себе раскраску по номерам с изображением бабочки, — сказал Макмиллан. — Инструкции по окраске крыла записаны в генетическом коде. Удаляя некоторые инструкции, мы можем понять, какая часть говорит "раскрась цифры два в красный" или "раскрась цифры один в чёрный". Конечно, всё гораздо сложнее, потому что на самом деле меняются сети генов, которые оказывают каскадный эффект на узор и цвет».
«Работая в новой лаборатории Смитсоновского института в Гамбоа, Панама, мы вводили в яйца бабочек РНК-зонд, который присоединялся к части генетического кода — гену WntA, который, как мы подозревали, играет роль в экспрессии цвета, — сказала Каролина Конча, постдокторант STRI по биогеномике. — После нокаута гена мы давали бабочкам вырасти и сравнивали узоры крыльев мутантов-нокаутов с исходными узорами», — добавил Ричард Уоллбэнк, постдокторант STRI и Кембриджа.
Повторив ту же процедуру для семи разных видов бабочек и сравнив результаты, команда обнаружила неожиданные способы влияния гена WntA на узор крыла.
«Возвращаясь к аналогии с раскраской по номерам, "Цифра один" может перемещаться по крылу у разных видов бабочек и даже у разных вариантов окраски одного вида. Например, у монархов ген экспрессируется с высокой точностью вдоль жилок крыла. Напротив, у Heliconius, группы, известной яркими узорами на крыльях, ген экспрессируется широкими мазками от кончика до основания крыла. И это ещё не всё, потому что цвет "Цифры один" может меняться в зависимости от контекста, переключаясь между разными пигментами и даже меняя то, как отражается свет. У бабочек цвет является функцией как пигмента, так и структурных свойств чешуек, покрывающих крыло», — объяснил Макмиллан.
WntA был одним из первых генов, обнаруженных Арно Мартеном как участвующий в формировании узора у Heliconius, когда он работал в STRI в качестве краткосрочного стипендиата во время своих докторских исследований. Команда может предсказать, сколькими разными генами управляет этот один регуляторный ген, основываясь на количестве потенциальных участков связывания вдоль гена. Это гораздо менее затратно для организма, чем создание разных белков для каждой задачи.
«Бабочки и мотыльки, чешуекрылые, — третья по величине группа организмов на планете, — сказал Мартен, ныне доцент биологии в Университете Джорджа Вашингтона и автор-корреспондент исследования. — Как только мы определим наборы генов, регулируемых таким геном, как WntA, мы можем посмотреть на последовательности разных бабочек в семейном древе, чтобы увидеть, когда и где эти изменения произошли в течение 60 миллионов лет эволюции бабочек».