Zespół międzynarodowych badaczy odkrył zaskakujący mechanizm genetyczny, który wpływa na żywe i złożone wzory na skrzydłach motyli. W badaniu opublikowanym w Proceedings of the National Academy of Sciences zespół kierowany przez Lucę Livraghi z George Washington University i University of Cambridge odkrył, że cząsteczka RNA, a nie białko, jak wcześniej sądzono, odgrywa kluczową rolę w określaniu rozmieszczenia czarnego pigmentu na skrzydłach motyli.
To, w jaki sposób motyle są w stanie generować żywe wzory i kolory na swoich skrzydłach, fascynuje biologów od wieków. Kod genetyczny zawarty w komórkach rozwijających się skrzydeł motyla dyktuje konkretny układ kolorów na łuskach skrzydeł — mikroskopijnych płytkach, które tworzą wzory na skrzydłach — podobnie jak układ kolorowych pikseli tworzących obraz cyfrowy. Złamanie tego kodu jest podstawą zrozumienia, w jaki sposób nasze własne geny budują naszą anatomię. W laboratorium naukowcy mogą manipulować tym kodem u motyli za pomocą narzędzi do edycji genów i obserwować wpływ na widoczne cechy, takie jak ubarwienie skrzydła.
Naukowcy od dawna wiedzą, że geny kodujące białka są kluczowe dla tych procesów. Tego typu geny tworzą białka, które mogą dyktować, kiedy i gdzie konkretna skala powinna generować konkretny pigment. Jeśli chodzi o czarne pigmenty, naukowcy sądzili, że ten proces nie będzie się różnił i początkowo uwikłali w to gen kodujący białka. Nowe badania jednak malują inny obraz.
Zespół odkrył gen, który produkuje cząsteczkę RNA — nie białko — kontroluje, gdzie powstają ciemne pigmenty podczas metamorfozy motyla. Wykorzystując technikę edycji genomu CRISPR, naukowcy wykazali, że po usunięciu genu, który produkuje cząsteczkę RNA, motyle całkowicie tracą swoje czarne pigmentowane łuski, co pokazuje wyraźny związek między aktywnością RNA a rozwojem ciemnego pigmentu.
„To, co odkryliśmy, było zdumiewające” – powiedział Livraghi, naukowiec podoktorancki w GW. „Ta cząsteczka RNA bezpośrednio wpływa na to, gdzie na skrzydłach pojawia się czarny pigment, kształtując wzory kolorów motyla w sposób, którego się nie spodziewaliśmy”.
Naukowcy zbadali dalej, jak cząsteczka RNA funkcjonuje podczas rozwoju skrzydeł. Badając jej aktywność, zaobserwowali idealną korelację między miejscem ekspresji RNA a miejscem powstawania czarnych łusek.
„Byliśmy zdumieni, że ten gen jest włączany tam, gdzie czarne łuski ostatecznie rozwiną się na skrzydle, z niezwykłą precyzją” — powiedział Arnaud Martin, profesor biologii na GW. „To prawdziwy ewolucyjny pędzel w tym sensie i kreatywny, sądząc po jego efektach u kilku gatunków”.
Naukowcy zbadali nowo odkryty RNA u kilku innych motyli, których historia ewolucyjna rozeszła się około 80 milionów lat temu. Odkryli, że u każdego z tych gatunków RNA ewoluowało, aby kontrolować nowe umiejscowienie w wzorach ciemnych pigmentów.
„Spójne wyniki uzyskane z mutantów CRISPR u kilku gatunków rzeczywiście dowodzą, że ten gen RNA nie jest nowym wynalazkiem, ale kluczowym mechanizmem przodków kontrolującym różnorodność wzorów skrzydeł” — powiedział Riccardo Papa, profesor biologii na Uniwersytecie Portoryko – Río Piedras.
„My i inni przyjrzeliśmy się teraz tej cesze genetycznej u wielu różnych gatunków motyli i co niezwykłe, odkryliśmy, że ten sam RNA jest używany wielokrotnie, od motyli długoskrzydłych po monarchów i rusałki rusałki” — powiedział Joe Hanly, naukowiec podoktorancki i pracownik naukowy w GW. „To zdecydowanie kluczowy gen dla ewolucji wzorów skrzydeł. Zastanawiam się, jakie inne, podobne zjawiska mogli przegapić biolodzy, ponieważ nie zwracali uwagi na ciemną materię genomu”.
Odkrycia te nie tylko podważają dotychczasowe założenia dotyczące regulacji genetycznej, ale także otwierają nowe możliwości badania, w jaki sposób widoczne cechy ewoluują u zwierząt.