геном бабочек

Узоры на крыльях бабочек поражают своей сложностью, и ученые-биологи веками пытались разгадать механизм их формирования. Подобно тому, как цифровое изображение складывается из пикселей, узор на крыльях составлен из микроскопических цветных чешуек. А их окраска, в свою очередь, определяется активностью генов в клетках развивающегося крыла на стадии куколки. Эти гены «диктуют», как именно каждая конкретная чешуйка должна вырабатывать пигмент. Распределение темного пигмента, меланина, у животных обычно регулируют белок-кодирующие гены. Поэтому раньше считали, что это верно и в случае темных узоров на крыльях бабочки, но новое исследование говорит о другом механизме.

Авторы исследования в PNAS обнаружили, что выработку темного пигмента в клетках крыла контролирует ген, который кодирует не белок, а РНК. Дело в том, что кроме «классических» генов, кодирующих белки, в ДНК всех живых организмов содержатся многочисленные гены «регуляторных», или некодирующих, РНК. Функции большинства из них неизвестны, поэтому их еще называют «темной материей» генома.

«Регуляторных» РНК существует несколько типов, в том числе так называемые длинные некодирующие РНК, к которым и относится обнаруженная в статье РНК. Исследователи назвали эту РНК ivory, а ее роль в окраске крыла продемонстрировали с помощью CRISPR-Cas9 — ученые отредактировали геном бабочки-почтальона (Heliconius melpomene), удалив из него ген ivory. При этом у «отредактированных» бабочек чешуйки крыла полностью теряли темный цвет, что подтверждает роль длинной некодирующей РНК ivory в пигментации крыла.

Далее ученые проследили за активностью длинной некодирующей РНК в ходе развития крыла на стадии куколки. Оказалось, что активность ivory в разных областях зачатка крыла идеально коррелировала с темным цветом чешуек. «Мы были поражены тем, что этот ген [кодирующий РНК ivory] с поразительной точностью «включается» именно в тех частях крыла, где в конечном итоге появятся черные чешуйки», — говорит один из авторов статьи, профессор Университета Джорджа Вашингтона Арно Мартин.

Как предполагают ученые, ivory обеспечивает темную окраску чешуек, стимулируя производство темного пигмента меланина и предотвращая накопление желтого пигмента 3-гидроксикинуренина. Кроме этого, исследователи обнаружили, что эта РНК «работает» у двух разных видов бабочек, эволюционно далеких от бабочки-почтальона. Это значит, что механизм регуляции окраски с помощью ivory появился очень давно — не менее 80 млн лет назад.

Результат нового исследования переворачивает устоявшиеся представления о генетической регуляции — как у бабочек, так и у всех организмов, включая человека, — и подчеркивает, что роль «регуляторных» РНК часто недооценивают. По словам одного из авторов, сотрудника Университета Джорджа Вашингтона Джо Хэнли, их открытие заставляет задуматься: «Сколько еще подобных явлений могли упустить биологи, не обращая внимания на “темную материю” генома?»