Бабочка-мутант, выставленная на продажу на eBay, помогла перевернуть представление натуралистов о том, как крылья бабочки приобретают замысловатое разнообразие красных, желтых, белых и черных полос. Это и недавние исследования других бабочек показывают, что видимые признаки у многих животных могут контролироваться одним и тем же малоизученным генетическим регуляторным механизмом, основанным не на белках, а на РНК.
В 2016 году генетики полагали, что большая часть вариаций рисунка крыльев связана с геном, кодирующим белок. Но теперь три команды доказали, что ключом является другой ген, который ранее отсутствовал из-за того, что он перекрывается с корой головного мозга. Его конечным продуктом является не белок, а РНК, которая регулирует гены, отвечающие за пигментацию черного и других оттенков крыльев. Одна команда также показала, что РНК распадается на более мелкие РНК, которые точно регулируют производство цветов. «Они решили загадку, которая заставила задуматься всех членов сообщества», — говорит Николас Гомпель из Боннского университета.
Открытие, подробно описанное сразу в трех препринтах, также представляет собой первый случай, когда длинная некодирующая РНК (днРНК), названная так потому, что она не кодирует белки, была связана с эволюцией видимого признака у животных. «Теперь нам нужно уделять больше внимания некодирующей РНК», — говорит Илик Саккери из Ливерпульского университета и член одной из команд, занимавшихся корой головного мозга.
Для эволюционного биолога-эволюциониста Луки Ливраги, сейчас работающего в Университете Джорджа Вашингтона, ключевой прорыв произошел, когда коллега рассказал ему и Джозефу Хэнли, биоинформатику из Университета Дьюка, о совершенно белых бабочках Heliconius, продаваемых на eBay. Когда они секвенировали десятки этих так называемых мутантов слоновой кости, они обнаружили делецию в области гена коры головного мозга. Затем они поняли, что недостающая ДНК включает в себя последовательность, кодирующую днРНК, которую никто никогда внимательно не исследовал. Работая с бабочками Vanessa cardui, которые имеют красочные крылья и которых легко разводить в лаборатории, они использовали генный редактор CRISPR, чтобы отключить только ген днРНК. В результате редактирования были получены белокрылые раскрашенные дамы, похожие на Геликония цвета слоновой кости, о чем они сообщили в препринте на bioRxiv. Отключение коры не дало никакого эффекта.
Более того, команда Ливраги обнаружила, что эта же днРНК также контролирует черную и другую пигментацию чешуи других видов бабочек, некоторые из которых имеют отдаленное родство. «Теперь мы должны прийти к выводу, что ключевым регулятором является РНК, а не белок», — говорит Питер Холланд, биолог-эволюционист из Оксфордского университета, который не участвовал ни в одной из новых работ.
На конференции в середине этих исследований Ливраги узнал, что группа Корнелльского университета, изучающая окраску крыльев бабочки Junonia coenia, распространенной по всей Северной Америке, сосредоточилась на той же самой днРНК. Обе команды решили скоординировать свои усилия.
Осенью, особенно на востоке США, светло-коричневые крылья этих бабочек темнеют до темно-красного, что позволяет им более эффективно поглощать тепло. Когда биологи-эволюционисты из Корнелла Роберт Рид и Ричард Фандино использовали CRISPR, чтобы вывести из строя различные части днРНК у этих бабочек, они родились практически бесцветными, а их осеннее покраснение изменилось, сообщила команда на сайте bioRxiv.
Мутант-белая бабочка, опубликованный на платформе социальных сетей X, предупредил Ливраги о команде, стоящей за третьим новым препринтом: биологах-эволюционистах Антонии Монтейро и Шэнь Тянь из Национального университета Сингапура. Они были сосредоточены на микроРНК — коротких последовательностях РНК, которые, как известно, регулируют активность генов у растений, животных и других эукариот — организмов, упаковывающих свою ДНК в ядро. У бабочки Bicyclus Anynana, хорошо изученного тропического вида, они обнаружили, что микроРНК активна в рисунке черного крыла, точно так же, как Ливраги обнаружил для днРНК слоновой кости.
Когда сингапурская команда отключила ДНК, кодирующую эту микроРНК, mir-193, коричневые крылья куста стали светлее, сообщила команда в препринте bioRxiv. Выведение из строя mir-193 также имело драматические последствия у дальнего родственника Pieris canidia, изменив ее крылья с черным рисунком на полностью белые. Узнав о днРНК, идентифицированной двумя другими группами, Монтейро и Тиан пришли к выводу, что более длинная РНК расщепляется с образованием этих микроРНК.
«В этой маленькой части генома происходит многое», — говорит Виолен Ллоуренс, биолог-эволюционист из Французского колледжа. Она предупреждает, что в структуре крыльев бабочек, вероятно, играют роль и другие регуляторные элементы. Но тот факт, что одна и та же микроРНК точно регулирует окраску у очень отдаленных видов, «удивителен», говорит Аньи Мазо-Варгас, биолог-эволюционист из Университета Дьюка, работавший с Ридом. Она подозревает, что эти РНК окрашивают крылья большинства, если не всех, из 180 000 видов мотыльков и бабочек. А поскольку mir-193 консервативен во всем животном мире, Монтейро и Тиан считают, что ненасекомые также могут использовать эти регуляторные гены.
Малые РНК, полученные из родительских днРНК, также влияют на признаки растений, говорит Яову Юань из Университета Коннектикута, чья команда в прошлом году сообщила, что так называемые миРНК определяют цвет обезьяньих цветов. По словам Юаня, сфера РНК расширяется. «Я вполне уверен, что вскоре будет проведено еще много подобных исследований».
