Nach neuen Forschungsergebnissen haben Schmetterlingsflügelmuster einen grundlegenden Plan, der durch nichtkodierende regulatorische DNA manipuliert wird, um die Vielfalt der Flügel zu erzeugen, die bei verschiedenen Arten zu sehen ist.
Die Studie „Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern groundplan“, veröffentlicht als Titelgeschichte im Okt. Wissenschafterklärt, wie DNA, die zwischen Genen eingeschlossen ist – sogenannte „Junk“-DNA oder nicht codierende regulatorische DNA – einen Grundplan enthält, der seit Zehn- bis Hundertmillionen von Jahren konserviert ist, während sie gleichzeitig die extrem schnelle Entwicklung von Flügelmustern ermöglicht.
Die Forschung stützt die Idee, dass ein Grundriss mit einem alten Farbmuster bereits im Genom codiert ist und dass nicht codierende regulatorische DNA als Schalter fungiert, um einige Muster zu verstärken und andere abzulehnen.
„Wir sind daran interessiert zu wissen, wie das gleiche Gen diese sehr unterschiedlich aussehenden Schmetterlinge bilden kann“, sagte Anyi Mazo-Vargas, Ph.D. ’20, Hauptautor 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 Schaltergruppe gibt [non-coding DNA] die in verschiedenen Positionen arbeiten und aktiviert werden und das Gen antreiben“, sagte Mazo-Vargas.
Frühere Arbeiten in Reeds Labor haben Schlüsselgene für Farbmuster aufgedeckt: eines (WntA), das die Streifenbildung steuert, und ein anderes (Optix), das Farbe und Schillern in Schmetterlingsflügeln steuert. Als die Forscher das Optix-Gen ausschalteten, 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 Nachtfaltern, der größten Schmetterlingsfamilie, durch.
Damit diese nichtkodierenden regulatorischen Elemente Gene kontrollieren können, werden eng gewickelte DNA-Spulen getrennt, 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 der Flügel von fünf Schmetterlingsarten, um genetische Regionen zu identifizieren, die an der Flügelmusterentwicklung beteiligt sind. Sie waren überrascht, als sie feststellten, dass eine große Anzahl von regulatorischen Regionen von sehr unterschiedlichen Schmetterlingsarten geteilt wurde.
Mazo-Vargas und Kollegen verwendeten dann die CRISPR-Cas-Geneditierungstechnologie, um 46 regulatorische Elemente nacheinander auszuschalten, um die Auswirkungen auf die Flügelmuster zu sehen, wenn jede dieser nicht codierenden DNA-Sequenzen gebrochen wurde. Beim Entfernen 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 (Wellenperlmutt) – jedes dieser nichtkodierenden Elemente ähnliche Funktionen in Bezug auf das WntA-Gen hatte, Beweise dass sie alt und konserviert waren und wahrscheinlich von einem entfernten gemeinsamen Vorfahren stammten.
Sie fanden auch heraus, dass D. plexippus (Monarch) andere 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 entwickeln ihre einzigartigen Farbmuster.
Wir haben allmählich verstanden, dass die meiste Evolution aufgrund von Mutationen in diesen nicht-kodierenden Regionen stattfindet. Ich hoffe, dass dieser Artikel eine Fallstudie sein wird, die zeigt, wie Menschen diese Kombination von ATAC-seq und CRISPR verwenden können, um diese interessanten Regionen in ihren eigenen Studiensystemen zu erforschen, egal ob sie an Vögeln, Fliegen oder Würmern arbeiten.“
Robert Reed, Professor für Ökologie und Evolutionsbiologie, College of Agriculture and Life Sciences
Die Forschung wurde von der National Science Foundation (NSF) finanziert.
„Diese Forschung ist ein Durchbruch in unserem Verständnis der genetischen Kontrolle komplexer Merkmale, und zwar nicht nur bei Schmetterlingen“, sagte Theodore Morgan, Programmdirektor bei der NSF. „Die Studie hat nicht nur gezeigt, wie die Anweisungen für Schmetterlingsfarbmuster in der Evolutionsgeschichte tief konserviert sind, sondern auch neue Beweise dafür erbracht, wie regulatorische DNA-Segmente Merkmale wie Farbe und Form positiv und negativ beeinflussen.“
Quelle:
Referenzmagazin:
Mazo-Vargas, A., et al. (2022) Tiefe cis-regulatorische Homologie des Grundplans des Schmetterlingsflügelmusters. Wissenschaft. doi.org/10.1126/science.abi9407.
