Forskere redigerer sommerfuglfløjpletter og -striber

Et internationalt forskerhold, der arbejder ved Smithsonian Tropical Research Institute i Panama, slog et enkelt kontrolgen ud i DNA'et fra syv forskellige sommerfuglearter. I den 18. sept Procedurer fra National Academy of Sciences tidlig online udgave, de afslører de overraskende resultater af omledning af WntA-genet:et enkelt gen påvirker den sprudlende mangfoldighed af sommerfuglevingemønstre i naturen.

"Sommerfuglevingemønstre er fantastiske:" sagde Owen McMillan, stabsforsker ved STRI og medforfatter, "en sand evolutionær nyhed, meget forskelligartet og stærkt formet af naturlig og seksuel selektion. Ved gensplejsning af individer fra forskellige arter, vi er hurtigt ved at finde ud af, hvordan denne mangfoldighed skabes. Overraskende nok, et enkelt gen, og en der bruges gentagne gange under hele udviklingen, kan have enorme effekter."WntA-proteinet er et meget bevaret signalmolekyle. WntA-genet er en del af en lille familie af gener, der påvirker kropsplaner og andre mønstre under insektudvikling. Det koder for et udskilt proteinmolekyle, der ser ud til at fungere som et diffuserbart signal, et såkaldt morfogen, der etablerer positionerne for specialiserede celletyper i et væv. Udtrykket morfogen blev opfundet af Alan Turing, faderen til teoretisk datalogi og kunstig intelligens, der interesserede sig for det kemiske grundlag for morfogenese.

"Forestil dig et malet billede af en sommerfugl, "Sagde McMillan." Instruktionerne til farvning af vingen er skrevet i den genetiske kode. Ved at slette nogle af instruktionerne, vi kan udlede, hvilken del der siger 'male nummer to er rød' eller 'male nummer ens sort. Selvfølgelig, det er meget mere kompliceret end dette, fordi det, der faktisk ændrer sig, er netværk af gener, der har en kaskadeeffekt på mønster og farve."

"Arbejde i Smithsonians nye laboratorium i Gamboa, Panama, vi injicerede sommerfugleæg med en RNA-sonde, der var knyttet til en del af den genetiske kode, et gen kaldet WntA, som vi mistænkte spillede en rolle i farveudtrykket, " sagde Carolina Concha, Biogenomics Post-doc stipendiat ved STRI. "Efter at have slået genet ud, vi lod sommerfuglene vokse op og sammenlignede vingemønstrene for knockout-mutanterne med de originale vingemønstre, " sagde Richard Wallbank, en STRI og Cambridge postdoc.

Ved at gentage den samme procedure i syv forskellige sommerfuglearter og sammenligne resultaterne, holdet opdagede uventede måder, hvorpå WntA -genet påvirker vingemønsteret.

"Gå tilbage til maling-for-tal-analogien, 'Nummer et' kan bevæge sig rundt om vingen hos forskellige sommerfuglearter, og endda i forskellige farvemønstervarianter af samme art. I Monarchs, for eksempel, genet udtrykkes med fin præcision langs vingeårerne. I modsætning, i Heliconius, en gruppe kendt for levende vingemønstre, genet udtrykkes i dristige penselstrøg fra i det væsentlige spidsen til bunden af ​​vingen. Og det bliver endnu mere skørt, fordi farven på 'Nummer et' kan ændre sig afhængigt af kontekst, skifte mellem forskellige farvede pigmenter og endda ændre, hvordan lys reflekteres. Hos sommerfugle, farve er en funktion af både pigment og de strukturelle egenskaber af skalacellerne, der dækker vingen, "Sagde McMillan.

WntA var et af de tidlige gener, der blev opdaget at være involveret i mønsterdannelse i Heliconius af Arnaud Martin, when working as a STRI Short-term Fellow during his Ph.D. research. The team can predict how many different genes this one regulatory gene controls based on the number of potential regions along the gene that it can bind to. This is much less costly to the organism than having to create different proteins for each job.

"The butterflies and moths, the Lepidoptera, are the third largest group of organisms known on the planet, " said Martin, now Assistant Professor of Biology at George Washington University and corresponding author of the study. "Once we identified the sets of genes regulated by a gene like WntA, we can look at the sequence of different butterflies in the family tree to see when and where these changes took place during the 60 million years of butterfly evolution."