Глазные пятна, круглые отметины контрастных цветов, которые можно найти на крыльях многих видов бабочек, используются этими порхающими существами, чтобы запугивать или отвлекать хищников. Группа ученых во главе с профессором Антонией Монтейро из Национального университета Сингапура (NUS) провела исследование, чтобы лучше понять эволюционное происхождение этих глазных пятен, и они обнаружили, что глазные пятна, по-видимому, произошли в результате рекрутирования сложной сети генов. это уже работало в теле бабочек, чтобы построить усики, ноги и даже крылья.
«Это новое исследование посвящено тому, как могут возникнуть новые сложные признаки. Эти сложные признаки требуют ввода многих взаимодействующих генов для их развития и часто иллюстрируются глазом позвоночных или жгутиком бактерий. В нашем исследовании мы рассмотрели, как бабочка пятна -глазки — пример сложной черты — появились и пришли к выводу, что сеть
Результаты были впервые опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences 16 февраля 2022 года.
Тайна строения живых организмов
Понять рекрутирование генной сети можно, представив сложную компьютерную программу с тысячами строк кода, где каждая строка представляет собой простую инструкцию или функцию. Внутри кода есть блоки текста, расположенные чуть дальше внутрь от поля, представляющие подпрограммы. Эти подпрограммы или наборы инструкций, которые выполняют определенные задачи, записываются в код один раз, но программа многократно обращается к ним по мере ее выполнения. Для этого каждой подпрограмме должно быть присвоено уникальное имя, и на нее можно ссылаться в последующем коде. Сложный фрагмент кода часто содержит множество подпрограмм, где каждая уникальная подпрограмма полностью записывается только один раз.
Та же логика подпрограммы, по-видимому, справедлива и для того, как процесс развития закодирован в ДНК организма. В этом случае подпрограмма называется сетью регуляции генов. Регуляторная сеть генов представляет собой цепочку инструкций, которые включают транскрипцию или молчание нескольких генов во временной последовательности. Организмы строятся за счет развертывания многих таких регуляторных сетей генов в точной последовательности во время развития. Новое исследование, проведенное командой NUS, показало, что появление глазных пятен на крыльях бабочек зависит от развертывания ранее существовавшей генной регуляторной сети, которая уже использовалась для построения усиков, ног и крыльев этих бабочек.
Присутствие этих подпрограмм предполагалось и раньше, прежде всего потому, что одни и те же гены продолжали обнаруживаться как экспрессированные и связанные с развитием новых признаков. Однако было неясно, представляет ли экспрессия этих генов в новом признаке новые строки кода генома, каждая из которых требует экспрессии ранее существовавшего гена, или уже существующие строки кода считываются еще раз, подобно подпрограмме. в компьютерной программе.
Обнаружение роли набора генных сетей в новых признаках
Чтобы выяснить это, постдокторант NUS доктор Хайди Коннас и докторант Сурия Муругесан удалили уникальные регуляторные последовательности ДНК в геноме, но не сами гены, и показали, что эти мутации повлияли на несколько признаков. Это свидетельствует в пользу единой сети регуляции генов или подпрограммы, лежащей в основе развития всех признаков. Два фрагмента ДНК, которые были выбраны, были регуляторными переключателями рядом с генами Distal-less и spalt. Развитие глазных пятен, антенн, ног и крыльев было нарушено, когда были нарушены эти области примерно из 390–700 пар оснований. «Было удивительно наблюдать, как одни и те же изменения в ДНК влияли на эти важные сложные признаки», — сказал доктор Коннах.
Г-н Муругесан также секвенировал кусочки ткани, из которых образуются пятна на крыльях, и сравнил полный набор экспрессируемых генов с теми, которые экспрессируются в других признаках. «Глазные пятна имеют наиболее близкий профиль экспрессии генов с антеннами, но не с ногами или другими тканями крыльев, такими как край крыла», — сказал г-н Муругесан. Постдокторант NUS, доктор Юдзи Матусока, затем изучил три гена, экспрессированные как в глазных пятнах, так и в антеннах, и показал, что регуляторные связи между ними идентичны, причем один ген играет важную роль в регуляции двух других. «Когда я обнаружил участок клеток в области глазного пятна без экспрессии первого гена, я понял, что экспрессия двух других генов также отсутствует», — сказал доктор Матусока.
«Эти эксперименты основывались на обнаружении мутаций, которые поражают именно центральные клетки глазного пятна после эмбриональных инъекций, что требовало большого терпения», — сказал профессор Монтейро.
В целом, исследование показало, что эволюция новых сложных признаков, таких как пятна на глазах бабочки, происходит посредством мутаций в генетическом коде, которые напоминают ранее существовавшую подпрограмму в геноме, которая уже использовалась для других сложных признаков, таких как усики и другие конечности. Типы мутаций, которые приводят к такому перераспределению ранее существовавших генных сетей, еще предстоит открыть, но предполагается, что это обычные мутации, которые случайно приводят к повторному воспроизведению ранее существовавших крупных геномных подпрограмм, включающих сотни гены.
Следующим шагом в этом исследовании является дальнейшая проверка того, способны ли соответствующие регуляторные последовательности из этих двух генов видов бабочек без глазных пятен активировать экспрессию генов в области глазных пятен у видов с глазными пятнами. «Это будет вишенкой на торте, — сказал профессор Монтейро, — потому что это еще раз подтверждает, что генетическая последовательность из старой подпрограммы будет возвращена в это новое место в организме у видов с мутацией возврата».
