Узоры на крыльях бабочек создала «мусорная» ДНК

Оказалось, они связаны с рядом древних некодирующих ДНК и особыми «переключателями» в них.

Крылья бабочки привлекали внимание людей с глубокой древности. Кому-то они служили поэтическим вдохновением, для кого-то были объектом для любопытства или коллекционирования. Глядя на бабочек, нам действительно есть чему удивляться: это эффектные насекомые, представители огромного и повсеместно распространенного отряда, который на современной Земле процветает.

Известно более 150 тысяч видов бабочек, немало описано по окаменелостям, и огромное множество только предстоит описать. С точки зрения эволюции этот отряд насекомых молод: самые древние ископаемые его представители жили в позднем мезозое.

Бабочки имеют неповторимый и легко узнаваемый внешний облик, в котором выделяются крупные и обычно яркие крылья — если речь идет не о молях, мелких ночных бабочках.

Узоры чешуекрылых сложны и зачастую уникальны для конкретного вида. По названию отряда нетрудно догадаться, что их крылья покрыты чешуйками — плоскими и хрупкими видоизмененными щетинками. Броская окраска такого крыла определяется и особыми пигментами, и даже сложными физическими явлениями вроде интерференции и дисперсии.

Более ста лет ученые пытались выяснить эволюционные механизмы позади этого шедевра. Теперь это, наконец, удалось — по такому случаю крыло бабочки попало на обложку октябрьского выпуска Science, лидирующего научного журнала.

Авторы новой статьи выяснили, что ключевую роль в окраске бабочек играют некодирующие участки их генома, то есть те, что не используются в качестве матрицы для синтеза белка. Долгое время, после открытия структуры ДНК и формулировки центральной догмы молекулярной биологии (ЦДМБ), эти последовательности считали «балластной» или даже «паразитической» частью генома. Но теперь понятно, что некодирующие, повторяющиеся и прочие типы последовательностей ДНК также необходимы — для регуляции работы генов, поддержания структуры генома, быстрых эволюционных изменений, и не только.

Обложка журнала Science за октябрь 2022 года

science.org

И новая работа, посвященная геномике бабочек, это лишний раз подтвердила. Верным оказалось и предположение о существовании в геномах чешуекрылых некоторого «генерального плана» — универсального механизма, определяющего их окраску. В этом отношении все разнообразие и пестрота их крыльев созданы единым эволюционным механизмом и имеют общее происхождение.

В то же время каждый неповторимый орнамент создан множеством «переключателей», локализованных в некодирующей ДНК. Это регуляторные участки, способные активировать конкретные гены и области генома — или, напротив, подавлять их работу.

Ранее те же ученые выявили ключевые гены окраски крыла бабочки: WntA определяет образование полосок, а Optix — окраску и ее переливы.

«Нас интересует, как один и тот же ген может сдавать такое внешнее разнообразие бабочек, — говорит Анти Мазо-Варгоз (Anyi Mazo-Vargas), первый автор статьи. — Мы обнаружили очень консервативную группу переключателей, которые работают в различных участках, способны активироваться и управлять работой определенного гена».

В новой статье авторы исследовали 46 некодирующих участков ДНК пяти видов бабочек семейства нимфалид — крупнейшего в отряде и насчитывающего более шести тысяч видов. С помощью технологии генного редактирования CRISPR-Cas они поочередно «выключали» каждый из этих регуляторных участков и таком образом узнали их функции.

Ученые также показали, что у четырех видов (Junonia coenia, Vanessa cardui, Heliconius himera и Agraulis vanillae) все изученные некодирующие элементы выполняют похожие функции и связаны с геном WntA. Выходит, это эволюционно консервативные части генома, которые возникли давно и очень медленно изменяются со временем.

Бабочка-монарх (Danaus plexippus) в то же время регулирует работу этого гена иначе. Вероятно, причиной стала потеря «стандартного» регуляторного элемента для WntA.

Рассматривая изученных ими бабочек как частный пример общей закономерности, авторы подчеркнули, что некодирующие области ДНК в целом играют гораздо большую роль в эволюции, чем принято считать.