Секреты супергена бабочек, контролирующего цвет и узоры крыльев

от

Многие бабочки развивают узоры на крыльях, которые имитируют другие виды, чтобы защититься от хищников. Развитие сложных частей тела, таких как крылья, включает множество генов, но различия между двумя версиями одного и того же признака, например, крыльями разных цветов, часто контролируются вариациями в одном генетическом месте.

Новое исследование, опубликованное в PNAS учёными из Чикагского университета, раскрывает внутреннюю работу одного такого «супергена» под названием doublesex. Этот суперген помогает виду бабочек-парусников (Papilio alphenor) имитировать узоры крыльев других, отдалённо родственных видов, которые токсичны для хищников.

Используя современные методы геномного секвенирования и экспериментальные инструменты, такие как CRISPR, исследователи изучили эволюцию и функции doublesex. Они показали, как суперген получил способность контролировать узоры крыльев, связавшись с другими генетическими элементами, которые регулируют его экспрессию.

«Самцы и самки этих бабочек могут иметь совершенно разные цветовые узоры при практически одинаковом геноме — но каким-то образом один фрагмент ДНК кодирует эти разные фенотипы», — сказал доктор Николас ВанКурен, научный сотрудник Департамента экологии и эволюции в Чикагском университете и ведущий автор исследования.

«Что замечательно в этом исследовании, так это то, что мы определили не только различия между двумя версиями этого гена, но и то, как эти различия влияют на функции гена и включение или выключение узоров на крыльях», — добавил он.

Суперген — это обычно группа соседних генов на хромосоме, которые наследуются вместе, поскольку они функционируют для контроля сложных признаков, таких как цветовые узоры и брачное поведение. Они часто состоят из десятков или сотен отдельных генов, связанных друг с другом. Однако у бабочек-парусников суперген doublesex состоит всего из одного гена. Только самки этого вида развивают альтернативные узоры на крыльях, добавляя оранжевые пятна к своим белым отметинам для имитации других видов; самцы сохраняют свои стандартные белые пятна на чёрном фоне.

«Этот ограниченный полом полиморфизм у Papilio alphenor является классическим примером супергена», — сказал доктор Маркус Кронфорст, профессор экологии и эволюции и старший автор нового исследования.

ВанКурен и его команда провели серию экспериментов, чтобы манипулировать активностью doublesex у бабочек и изучить генетическую цепочку событий, приводящих к изменениям в узорах на крыльях.

Они обнаружили, что различия в структуре белка двух разных версий, или аллелей, гена были невелики. Вместо этого они увидели, что цис-регуляторные элементы, представляющие собой фрагменты близлежащей некодирующей ДНК, изменяли способ экспрессии гена.

Новый аллель приобрёл шесть новых цис-регуляторных элементов, функция которых зависела от белка doublesex. Эти элементы работали вместе, чтобы активировать ген по-разному и создать новый миметический узор на крыльях. Это открытие показало, что ген регулирует сам себя, что стало неожиданной особенностью его эволюционной истории.

Исследователи также увидели, что новый аллель способен контролировать цветовые узоры, регулируя несколько других нижестоящих генов, которые, как известно, помогают в развитии плана тела и формировании узоров на крыльях у других бабочек.

«Эти результаты довольно интересны, потому что впервые мы знаем, где в геноме искать эти генетические переключатели, которые включают цветовые узоры», — сказал ВанКурен. «И самое интересное, что не только у этого вида, Papilio alphenor, есть ограниченный полом полиморфизм. Существует множество близкородственных видов, у которых есть такой же механизм мимикрии, и они также контролируются одним и тем же геном».

Кронфорст сказал, что это открытие позволяет исследователям задавать больше вопросов о том, как супергены получают свою способность создавать такое разнообразие форм из одного и того же генома.

«Бабочки — это фантастическая система для изучения этого, потому что они невероятно разнообразны. Существует так много видов, и, кроме того, внутри вида существует так много разных цветовых узоров», — сказал Кронфорст. «Такое разнообразие даёт нам ещё один инструмент для изучения того, откуда берётся генетическая изменчивость и как развивается биоразнообразие».

Предоставлено Чикагским университетом.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте