Чешуекрылые (бабочки и мотыльки) демонстрируют великолепное разнообразие цветовых узоров крыльев, и многие виды демонстрируют черно-белые или темные и яркие варианты цветовых узоров крыльев, связанные с наличием и отсутствием меланина. Многие из этих вариантов цветовых узоров крыльев являются хрестоматийными примерами естественного отбора и эволюции.
Яркими примерами служат, среди прочего, быстрое увеличение частоты встречаемости меланической формы британской березовой пяденицы Biston betularia, вызванное более загрязненной и темной средой, вызванной сжиганием углерода и индустриализацией в конце 1800-х годов в Соединенном Королевстве, а также миметическое излучение бабочек Heliconius.
Несмотря на то, что экологические факторы, способствующие наличию или отсутствию меланина в крыльях этих чешуекрылых, часто хорошо понятны, генетическая и онтогенетические основы изменений окраски остаются неясными.
За последние два десятилетия ученые обнаружили, что большинство вариантов окраски крыльев меланина контролируются одной геномной областью, окружающей ген, кодирующий белок, «кортекс». Тогда предполагалось, что кортекс является переключателем окраски меланина.
Международная группа исследователей из Сингапура, Японии и Соединенных Штатов Америки под руководством профессора Антонии Монтейро и Шэнь Тянь с кафедры биологических наук Национального университета Сингапура (NUS) обнаружила, что кора головного мозга не влияет на меланическую окраску. Вместо этого за фактическое переключение цвета отвечает ранее игнорированная микроРНК (miRNA).
Результаты были опубликованы в журнале Science.
«Множество доказательств из предыдущих исследований ставят под сомнение, действительно ли кора является меланическим переключателем цвета, что вдохновило меня проверить функцию некоторых других геномных особенностей в этой геномной области — микроРНК», - сказал Тянь. «МиРНК — это небольшие молекулы РНК, которые не кодируют белки, как большинство генов, но играют важную роль в регуляции генов, подавляя экспрессию целевых генов».
В этом исследовании Тянь и его коллеги обнаружили miRNA, расположенную рядом с кортексом, mir-193. Команда нарушила mir-193 с помощью инструмента редактирования генов CRISPR-Cas9 в трех глубоко разошедшихся линиях бабочек. Полное разрушение mir-193 устранило черные и темные цвета крыльев у африканской щурящейся кустарниковой бабочки Bicyclus anynana, индийской капустницы Pieris canidia и обыкновенной морнонской бабочки Papilio polytes.
Напротив, разрушение кортекса и трех других генов, кодирующих белок, из той же геномной области у B. anynana не оказало никакого влияния на цвет крыльев. Это указывает на то, что mir-193, а не кортекс или какой-либо другой близлежащий ген, является ключевым регулятором меланической окраски у этих чешуекрылых.
Команда также подтвердила, что mir-193 процессируется из длинной некодирующей белок РНК, ivory, и функционирует путем прямого подавления нескольких генов пигментации. Поскольку последовательность mir-193 глубоко консервативна не только у Lepidoptera, но и во всем животном мире, команда также проверила роль mir-193 у мух Drosophila. Удивительно, но было также обнаружено, что mir-193 контролирует меланическую окраску у этих мух, что предполагает глубоко консервативную роль mir-193 за пределами Lepidoptera.
«В то время как предыдущие исследования были сосредоточены исключительно на роли кортекса в формировании меланических цветовых вариаций, эта работа вносит поворот в эту давнюю гипотезу и демонстрирует, что небольшая, не кодирующая белок РНК является тем переключателем, который, будучи экспрессированным или не экспрессированным, вызывает разнообразные меланические цветовые вариации крыльев в природе», - сказал профессор Монтейро. «Это исследование показывает, что плохо аннотированные некодирующие белки РНК, такие как микроРНК, ни в коем случае не следует игнорировать в исследованиях ассоциаций генотипа и фенотипа, поскольку в противном случае это может привести к ошибочным выводам».
«Роль некодирующих РНК в фенотипической диверсификации в значительной степени изучена недостаточно. Это исследование побуждает к дальнейшим исследованиям того, как некодирующие РНК, такие как микроРНК, могут способствовать фенотипической диверсификации организмов», - резюмировал Тянь.
