Генетики нашли разгадку замысловатой раскраски бабочек

Невероятное разнообразие расцветок, которые мы видим на крыльях мотыльков и бабочек, может регулироваться всего несколькими РНК — и даже не стандартной длины, а микро. К такому выводу независимо друг от друга пришли научные группы в США и Сингапуре, в итоге объединившие свои исследования. О них сообщает журнал Science.

Хорошо спрятанная РНК

Это исследование еще более удивительно тем, что всего несколько лет назад, в 2016 году, генетики заявляли, что установили связь окраски с геном cortex. Тогда ученые обратили внимание на то, что бабочки вида березовая пяденица из белых с черными пятнами буквально за несколько десятилетий превратились в полностью черных, а затем начали возвращаться к прежнему виду — это связывали с загрязненностью воздуха.

Сравнив пятнистых и черных бабочек, ученые нашли вставку ДНК в гене cortex. Но был нюанс: ген отвечает за деление клеток. Авторы исследования считали, что он может быть причастен к росту чешуек, из которых состоят крылья, но однозначно ответить, как cortex регулирует цвет, не смогли.

И вот сейчас стало понятно, что ответ не так очевиден. Хотя исследователи пядениц были невероятно близки.

Но в этот раз в разных частях света смогли рассмотреть другой ген, который частично перекрывается cortex — и поэтому ранее был незаметен. Именно этот, хорошо спрятанный, ген продуцирует РНК, которая, видимо, регулирует работу других генов, связанных с окраской.

Это первый известный науке случай, когда с эволюцией видимого признака у животных удалось связать длинную некодирующую РНК. Как видно из названия, днРНК отличается тем, что не кодирует белки — то есть, не задает им какие-либо свойства. Таких некодирующих кислот много, и они выполняют разные функции. Но им никогда не уделяли внимания при исследовании видимых различий у живых организмов.

Большая разница и микроРНК

Для биолога-эволюциониста Луки Ливраги из Университета Джорджа Вашингтона (США) исследование началось с онлайн-магазина eBay. Там стали продавать бабочек-мутантов: Heliconius с совершенно белыми крыльями. Это было очень необычно, так как этот широко распространенный в Америке род славится своей пестрой желто-красно-черной окраской, иногда — даже с добавлением синего и зеленого.

Изучив десятки насекомых, Ливраги и его коллеги сначала обнаружили недостающий участок ДНК в районе cortex у бледнокрылых Heliconius. Затем разобрались, что пропала последовательность, связанная с той самой, ранее не изучавшейся, днРНК.

Тогда ученые «отключили» ту самую последовательность у другого вида бабочек: репейниц, которые обычно используются в таких исследованиях и которые также отличаются очень яркой окраской крыльев. И действительно, генномодифицированные насекомые были столь же обесцвечены, как Heliconius с eBay; потом удалось выяснить, что эта же днРНК связана с окраской у других видов бабочек — даже очень отдаленных родственников репейниц. При этом «отключение» cortex не дало никакого эффекта.

Параллельно ту же связь днРНК с окраской нащупала группа из Корнеллский университет (также находится в США, но в другом штате). Они изучали совсем иных бабочек — Junonia coenia. Они отличаются тем, что их крылья меняют окрас в зависимости от времени года: из светло-коричневых летом они становятся темно-красными осенью. Это позволяет им более эффективно поглощать тепло.

Эта команда так же отредактировала гены своих подопытных — и бабочки тоже родились практически бесцветными летом и с другим оттенком красного осенью.

Затем американские ученые узнали из соцсетей, что аналогичное исследование ведется в Азии. Биологи из Национального университета Сингапура обнаружили связь между окраской бабочек и микроРНК — так называют укороченную последовательность. Было известно, что микроРНК регулируют активность генов у растений, животных и других эукариот — организмов, «упаковывающих» свою ДНК в ядро клеток.

Но сингапурские специалисты выяснили, что микроРНК mir-193 также дает черный цвет крылу Bicyclus Anynana — хорошо изученного тропического вида. И когда они «отключили» ДНК, кодирующую mir-193, коричневые крылья бабочки осветлились. То же самое произошло с Pieris canidia — черно-белые крылья стали просто белыми.

Когда ученые из США и Сингапура обменялись данными, они пришли к выводу, что более длинная днРНК, обнаруженная американскими исследователями, расщепляется и в итоге образуются микроРНК, в том числе найденная сингапурцами mir-193. При этом, очевидно, что изначальная длинная РНК кодирует не только черный цвет.