Różnice w kolorze skrzydeł motyli i ćmy, od dawna przypisywane genowi kory mózgowej, są w rzeczywistości kontrolowane przez mikroRNA, mir-193który tłumi geny pigmentacji. To odkrycie, zachowane w poprzek[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>species, highlights the crucial role of non-coding RNAs in phenotypic diversity.
Butterflies and moths (lepidopterans) display an extraordinary variety of wing color patterns, with many species showcasing black-and-white or dark-and-bright variations due to the presence or absence of melanin. These variations often serve as classic examples of natural selection and evolution. Notable cases include the rapid rise of the melanic form of the British peppered moth (Biston betularia), which adapted to the soot-darkened environment of the late 19th-century United Kingdom during industrialization, and the mimetic diversity of Heliconius butterflies.
While the ecological factors driving the evolution of melanin-based wing patterns are often well understood, the genetic and developmental mechanisms underlying these coloration changes have remained less clear.
How do butterflies and moths paint their wings either black or white?
Over the past two decades, scientists discovered that the majority of melanic wing color variants are controlled by a single genomic region surrounding the protein-coding gene ‘cortex’. It was assumed, then, that cortex was the melanic color switch. A team of international researchers from Singapore, Japan, and the United States of America, led by Professor Antónia MONTEIRO and Dr Shen TIAN from the Department of Biological Sciences at the National University of Singapore (NUS), discovered that cortex does not affect melanic coloration. Instead, a previously ignored microRNA (miRNA), is the actual color switch.
The findings were published in the journal Science on 5 December 2024.
Dr Tian, the lead author of this work said, “Piles of evidence from previous studies cast doubt on whether cortex was really the melanic color switch, which inspired me to test the function of some other genomic features within this genomic region – miRNAs.” He conducted this research work as a PhD/postdoctoral researcher in Professor Monteiro’s laboratory at NUS, and is now a postdoctoral researcher at Duke University, USA.
Klip wideo przedstawiający badania przeprowadzone przez zespół, przedstawiający zastosowane podejście i kluczowe wnioski. Źródło: NUS
„MiRNA są małe RNA cząsteczki, które nie kodują białek jak większość genów, a mimo to odgrywają zasadniczą rolę w regulacji genów poprzez tłumienie ekspresji genów docelowych” – dodał dr Tian.
W tym badaniu dr Tian i współpracownicy odkryli miRNA zlokalizowane obok kora, mir-193. Zespół zakłócił mir-193 przy użyciu narzędzia do edycji genów CRISPR-Cas9 w trzech głęboko rozbieżnych liniach motyli. Kompletne zakłócenie mir-193 wyeliminowano czarne i ciemne ubarwienie skrzydeł afrykańskiego motyla mrużącego brunatnego, Bicyclus anynana, motyl biały z kapusty indyjskiej, Pieris canidiai pospolity motyl mormoński, Papilio politete. Przeciwnie, zakłócanie kora i trzy inne geny kodujące białka z tego samego regionu genomowego w B. anynana nie miało wpływu na kolory skrzydeł. To na to wskazywało mir-193nie kora lub jakikolwiek inny pobliski gen, jest kluczowym regulatorem koloru melanicznego u tych Lepidoptera.
Głębsze spojrzenie mir-193 i jego znaczenie ewolucyjne
Zespół dodatkowo to potwierdził mir-193 jest przetwarzany z długiego, niekodującego białka RNA, kość słoniowai działa poprzez bezpośrednie tłumienie wielu genów pigmentacji. Ponieważ sekwencja mir-193 jest głęboko konserwatywny nie tylko u Lepidoptera, ale w całym królestwie zwierząt, zespół zbadał także jego rolę mir-193 W Drosophila leci. Zaskakująco, mir-193 Stwierdzono również, że kontroluje ubarwienie melaniczne u tych much, co sugeruje głęboko konserwatywną rolę mir-193 poza Lepidoptera.
Profesor Monteiro powiedział: „Chociaż poprzednie badania skupiały się wyłącznie na roli kora generując zmiany koloru melanicznego, praca ta zmienia tę długoletnią hipotezę i pokazuje, że mały, niekodujący białka RNA jest przełącznikiem, który poprzez ekspresję lub brak ekspresji powoduje różnorodne zmiany koloru skrzydeł melanicznych w naturze .”
„To badanie pokazuje, że słabo opisane RNA niekodujące białek, takie jak miRNA, nigdy nie powinny być ignorowane w badaniach asocjacji genotyp-fenotyp, ponieważ w przeciwnym razie prowadziłoby to do mylących wniosków” – dodał profesor Monteiro.
Dr Tian powiedział: „Rola niekodującego RNA w różnicowaniu fenotypowym jest w dużej mierze niedostatecznie zbadana. Badanie to skłania do dalszych badań nad tym, w jaki sposób niekodujące RNA, takie jak miRNA, mogą przyczyniać się do dywersyfikacji fenotypowej organizmów”.
Odniesienie: „MikroRNA jest genem efektorowym klasycznego ewolucyjnego locus hotspot” autorstwa Shen Tian, Yoshimasa Asano, Tirtha Das Banerjee, Shinya Komata, Jocelyn Liang Qi Wee, Abigail Lamb, Yehan Wang, Suriya Narayanan Murugesan, Haruhiko Fujiwara, Kumiko Ui -Tei, Patricia J. Wittkopp i Antónia Monteiro, 5 grudzień 2024, Nauka.
DOI: 10.1126/science.adp7899
