Ontwerpen van vlindervleugels komen voort uit „junk“-DNA uit het verleden: onderzoek

Volgens een recente studie hebben vlindervleugelpatronen een basisplan dat wordt gewijzigd door niet-coderend regulerend DNA om de diversiteit aan vleugels te produceren die bij verschillende soorten wordt aangetroffen.
De studie, „Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern groundplan“, gepubliceerd als het coververhaal in het oktobernummer van het tijdschrift. 21 nummer van Science, legt uit hoe DNA dat tussen genen zit – ‚junk‘-DNA of niet-coderend regulerend DNA genoemd – een basisplan herbergt dat gedurende tientallen tot honderden miljoenen jaren is geconserveerd, terwijl tegelijkertijd vleugelpatronen extreem snel kunnen evolueren . Het onderzoek ondersteunt het idee dat een grondplan met een oud kleurenpatroon al in het genoom is gecodeerd en dat niet-coderend regulerend DNA werkt als schakelaars om sommige patronen op te krikken en andere af te wijzen.
„We zijn geïnteresseerd om te weten hoe hetzelfde gen deze heel verschillend uitziende vlinders kan bouwen“, zegt Anyi Mazo-Vargas, Ph.D. ’20, de eerste auteur van de studie en een voormalig afgestudeerde student in het laboratorium van senior auteur Robert Reed, hoogleraar ecologie en evolutionaire biologie aan het College of Agriculture and Life Sciences. Mazo-Vargas is momenteel een postdoctoraal onderzoeker aan de George Washington University.
“We zien dat er een zeer geconserveerde groep schakelaars is [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.
Dit onderzoek 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.
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 vanillae (golfparelmoervlinder) – elk van deze niet-coderende elementen vergelijkbare functies had met betrekking tot het WntA-gen, bewijzen 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. ”
Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation (NSF).
„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.“ (ANI)

Kommentar verfassen

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