Gene-bewerkte vlindermutanten onthullen geheimen van oud „junk“ DNA

Geschilderde Lady Butterfly Wings

Vleugels van de geschilderde damevlinder – Vanessa cardui, gemodificeerd door verwijdering van niet-coderende DNA-sequentie. Krediet: Anyi Mazo-Vargas

Volgens nieuw onderzoek hebben vlindervleugelpatronen een basisplan, dat wordt gemanipuleerd door niet-coderende regelgeving[{“ attribute=““>DNA to create the diversity of wings seen in different species.

A new study explains how DNA that sits between genes – called ‘junk’ DNA or non-coding regulatory DNA – accommodates a basic plan conserved over tens to hundreds of millions of years while at the same time allowing wing patterns to evolve extremely quickly. “Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern ground plan” was published as the cover story in the October 21 issue of the journal Science.

The research supports the idea that an ancient color pattern ground plan is already encoded in the butterfly genome and that non-coding regulatory DNA works like switches to turn up some patterns and turn down others.

Gulf Fritillary Butterfly (Agraulis vanillae)

Gulf fritillary butterfly – Agraulis vanillae. Credit: Anyi Mazo-Vargas

“We are interested to know how the same gene can build these very different looking butterflies,” said Anyi Mazo-Vargas, Ph.D. ’20, the study’s first author and a former graduate student in the lab of senior author, Robert Reed, professor of ecology and evolutionary biology in the College of Agriculture and Life Sciences. Mazo-Vargas is currently a postdoctoral researcher at George Washington University.

“We see that there’s a very conserved group of switches [non-coding DNA] die in verschillende posities werken en worden geactiveerd en het gen aansturen, „zei Mazo-Vargas.

Eerder werk in het laboratorium van Reed heeft belangrijke genen voor kleurpatronen blootgelegd: een (WntA) die strepen controleert en een andere (Optix) die de kleur en irisatie in vlindervleugels regelt. Toen de onderzoekers het Optix-gen uitschakelden, leken de vleugels zwart en toen het WntA-gen werd verwijderd, verdwenen de streeppatronen.

Patroondetails van Gulf Fritillary Butterfly Wing

Patroondetails van een vlindervleugel van de golfparelmoervlinder (Agraulis vanille) met veranderingen veroorzaakt door wijziging van een niet-coderende DNA-sequentie met behulp van de tool voor het bewerken van genen CRISPR/cas9. Krediet: Anyi Mazo-Vargas

Deze studie richtte zich op het effect van niet-coderend DNA op het WntA-gen. In het bijzonder hebben de onderzoekers experimenten uitgevoerd met 46 van deze niet-coderende elementen in vijf soorten nymphalidvlinders, de grootste vlinderfamilie.

Om ervoor te zorgen dat deze niet-coderende regulerende elementen genen controleren, worden strak gewonden DNA-spoelen losgekoppeld, een teken dat een regulerend element een interactie aangaat met een gen om het te activeren, of in sommige gevallen, het uit te schakelen.

Monarch Butterfly Mutant Gegenereerd Met Gene Editing Tool

Een mutant van de monarchvlinder (Danaus plexippus) die werd gegenereerd met behulp van de tool voor het bewerken van genen CRISPR/cas9 om een ​​niet-coderende DNA-sequentie te verwijderen, ook bekend als „junk-DNA“, dat een gen reguleert dat de vleugelpatronen regelt. Krediet: Anyi Mazo-Vargas

In de studie gebruikten de onderzoekers een technologie genaamd ATAC-seq om regio’s in het genoom te identificeren waar deze ontrafeling plaatsvindt. Mazo-Vargas vergeleek ATAC-seq-profielen van de vleugels van vijf vlindersoorten om genetische regio’s te identificeren die betrokken zijn bij de ontwikkeling van vleugelpatronen. Ze waren verrast toen ze ontdekten dat een groot aantal regelgevende regio’s werden gedeeld door zeer verschillende vlindersoorten.

Mazo-Vargas en collega’s gebruikten vervolgens CRISPR-Cas-genbewerkingstechnologie om 46 regulerende elementen één voor één uit te schakelen, om de effecten op vleugelpatronen te zien wanneer elk van deze niet-coderende DNA-sequenties werd verbroken. Wanneer verwijderd, veranderde elk niet-coderend element een aspect van de vleugelpatronen van de vlinders.

De onderzoekers ontdekten dat bij vier van de soorten – Junonia coenia (buckeye), Vanessa Cardui (geschilderde dame), Heliconius Himera, en Agraulis vanille (golfparelmoervlinder) – elk van deze niet-coderende elementen had vergelijkbare functies met betrekking tot het WntA-gen, wat aantoont dat ze oud en geconserveerd waren, waarschijnlijk afkomstig uit een verre gemeenschappelijke voorouder.

Ze ontdekten ook dat D. plexippus (monarch) verschillende regulerende elementen van de andere vier soorten gebruikte om zijn WntA-gen te beheersen, misschien omdat het in de loop van zijn geschiedenis een deel van zijn genetische informatie verloor en zijn eigen regelsysteem opnieuw moest uitvinden om zijn unieke kleur te ontwikkelen patronen.

„We zijn geleidelijk gaan begrijpen dat de meeste evolutie plaatsvindt vanwege mutaties in deze niet-coderende regio’s,“ zei Reed. „Wat ik hoop is dat dit artikel een case study zal zijn die laat zien hoe mensen deze combinatie van ATAC-seq en CRISPR kunnen gebruiken om deze interessante regio’s in hun eigen studiesystemen te gaan ondervragen, of ze nu werken op vogels, vliegen of wormen. ”

„Dit onderzoek is een doorbraak voor ons begrip van de genetische controle van complexe eigenschappen, en niet alleen bij vlinders“, zegt Theodore Morgan, programmadirecteur bij de NSF. „Niet alleen liet de studie zien hoe de instructies voor vlinderkleurpatronen diep geconserveerd zijn in de evolutionaire geschiedenis, maar het onthulde ook nieuw bewijs voor hoe regulerende DNA-segmenten eigenschappen zoals kleur en vorm positief en negatief beïnvloeden.“

Referentie: „Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern groundplan“ door Anyi Mazo-Vargas, Anna M. Langmüller, Alexis Wilder, Karin RL van der Burg, James J. Lewis, Philipp W. Messer, Linlin Zhang, Arnaud Martin en Robert D. Reed, 20 oktober 2022, Wetenschap.
DOI: 10.1126/science.abi9407

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation (NSF).

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert