研究发现RNA分子控制蝴蝶翅膀的颜色

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一个国际研究小组发现了一种令人惊讶的遗传机制，这种机制影响着蝴蝶翅膀上生动而复杂的图案。在一项发表在美国国家科学院院刊上的研究中，由乔治华盛顿大学和剑桥大学的 Luca Livraghi 领导的团队发现，RNA 分子（而不是之前认为的蛋白质）在决定蝴蝶翅膀上黑色素的分布方面起着关键作用。
几个世纪以来，蝴蝶翅膀上鲜艳的图案和颜色究竟是如何形成的，一直让生物学家们着迷。蝴蝶翅膀发育过程中的细胞内所含的遗传密码决定了翅膀鳞片（形成翅膀图案的微观瓦片）上颜色的具体排列，类似于形成数字图像的彩色像素的排列。破解这个密码对于理解我们自己的基因如何构成我们的解剖结构至关重要。在实验室中，研究人员可以使用基因编辑工具操纵蝴蝶的密码，并观察其对可见特征（如翅膀颜色）的影响。
科学家们早就知道，蛋白质编码基因对这些过程至关重要。这些类型的基因产生的蛋白质可以决定特定鳞片何时何地产生特定色素。当谈到黑色素时，研究人员认为这个过程不会有什么不同，并最初认为蛋白质编码基因与黑色素有关。然而，这项新研究描绘了一幅不同的图景。
研究小组发现，一种产生 RNA 分子（而非蛋白质）的基因控制着蝴蝶变态过程中深色色素的产生位置。研究人员利用基因组编辑技术 CRISPR 证明，当你去除产生 RNA 分子的基因时，蝴蝶会完全失去黑色素鳞片，这表明 RNA 活性与深色色素发育之间存在明显联系。
“我们的发现令人震惊，”乔治华盛顿大学的博士后科学家利夫拉吉说。“这种 RNA 分子直接影响黑色素在翅膀上出现的位置，以我们未曾预料到的方式塑造了蝴蝶的颜色图案。”
研究人员进一步探究了 RNA 分子在翅膀发育过程中如何发挥作用。通过检查其活性，他们观察到 RNA 表达的位置与黑色鳞片形成的位置之间存在完美的相关性。
乔治华盛顿大学生物学副教授阿诺德·马丁 (Arnaud Martin) 表示：“我们惊讶地发现，这种基因以极为精确的方式激活了翅膀上最终长出黑色鳞片的位置。从这个意义上说，它确实是一支进化的画笔，而且从它在多个物种中的影响来看，它是一支富有创意的画笔。”
研究人员对其他几种蝴蝶中新发现的 RNA 进行了检测，这些蝴蝶的进化史大约在 8000 万年前就出现了分歧。他们发现，在这些蝴蝶中，RNA 已经进化到可以控制暗色素图案的新位置。
波多黎各大学里奥皮德拉斯分校生物学教授里卡多·帕帕 (Riccardo Papa) 表示：“从多个物种的 CRISPR 突变体中获得的一致结果确实表明，这种 RNA 基因并不是最近的发明，而是控制翅膀图案多样性的关键祖先机制。”
“我们和其他人现在已经研究了许多不同蝴蝶物种的这种遗传特性，令人惊讶的是，我们发现从长翅蝴蝶到帝王蝶和红蛱蝶，这种相同的 RNA 被反复使用，”乔治华盛顿大学的博士后科学家兼客座研究员乔·汉利 (Joe Hanly) 说。“这显然是翅膀图案进化的关键基因。我想知道生物学家可能因为没有注意到基因组的暗物质而错过了哪些其他类似的现象。”
这一发现不仅挑战了有关基因调控的长期假设，而且为研究动物可见特征如何进化开辟了新的途径。
这项研究“皮质基因座的长链非编码RNA控制蝴蝶的适应性着色”于2024年8月30日发表在《美国国家科学院院刊》上。