I motivi delle ali di farfalla emergono dall’antico DNA della “spazzatura”.

Secondo una nuova ricerca, i modelli delle ali delle farfalle hanno un piano di base, che viene manipolato dal DNA normativo non codificante per creare la diversità delle ali vista in diverse specie.

Lo studio, “Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern ground plan”, pubblicato come storia di copertina nel 20 ottobre. 21 numero di Science, spiega come il DNA che si trova tra i geni – chiamato DNA “spazzatura” o DNA regolatore non codificante – ospita un piano di base conservato da decine a centinaia di milioni di anni mentre allo stesso tempo consente ai modelli alari di evolversi estremamente rapidamente .

Farfalla fritillare del Golfo – Agraulis vanillae.

La ricerca supporta l’idea che un’antica pianta a colori pattern è già codificato nel genoma e che il DNA regolatorio non codificante funziona come interruttori per aumentare alcuni schemi e rifiutarne altri.

“Siamo interessati a sapere come lo stesso gene può costruire queste farfalle dall’aspetto molto diverso”, ha affermato Anyi Mazo-Vargas, Ph.D. ’20, primo autore dello studio ed ex studente laureato nel laboratorio dell’autore senior, Robert Reed, professore di ecologia e biologia evolutiva al College of Agriculture and Life Sciences. Mazo-Vargas è attualmente ricercatore post-dottorato presso la George Washington University.

“Vediamo che c’è un gruppo di interruttori molto conservato [non-coding DNA] che lavorano in diverse posizioni e sono attivati ​​e guidano il gene”, ha detto Mazo-Vargas.

lavoro precedente nel laboratorio di Reed ha scoperto i geni chiave del modello di colore: uno (WntA) che controlla le strisce e un altro (Optix) che controlla il colore e l’iridescenza nelle ali delle farfalle. Quando i ricercatori hanno disabilitato il gene Optix, le ali sono apparse nere e quando il gene WntA è stato eliminato, i motivi a strisce sono scomparsi.

Questo studio si è concentrato sull’effetto del DNA non codificante sul gene WntA. In particolare, i ricercatori hanno condotto esperimenti su 46 di questi elementi non codificanti in cinque specie di farfalle ninfalidi, che è la più grande famiglia di farfalle.

Affinché questi elementi regolatori non codificanti controllino i geni, le bobine di DNA strettamente avvolte si srotolano, segno che un elemento regolatorio sta interagendo con un gene per attivarlo o, in alcuni casi, disattivarlo.

Nello studio, i ricercatori hanno utilizzato una tecnologia chiamata ATAC-seq per identificare le regioni del genoma in cui si sta verificando questo disfacimento. Mazo-Vargas ha confrontato i profili ATAC-seq delle ali di cinque specie di farfalle, al fine di identificare le regioni genetiche coinvolte nello sviluppo del modello alare. Sono stati sorpresi di scoprire che un gran numero di regioni regolatorie erano condivise tra specie di farfalle molto diverse.

Mazo-Vargas e colleghi hanno quindi utilizzato la tecnologia di editing genetico CRISPR-Cas per disabilitare 46 elementi regolatori uno alla volta, al fine di vedere gli effetti sui modelli delle ali quando ciascuna di queste sequenze di DNA non codificanti è stata interrotta. Una volta cancellato, ogni elemento non codificante ha cambiato un aspetto dei modelli alari delle farfalle.

I ricercatori hanno scoperto che in quattro dei specie – Junonia coenia (buckeye), Vanessa cardui (dama dipinta), Heliconius himera e Agraulis vanillae (fritillary del golfo) – ciascuno di questi elementi non codificanti aveva funzioni simili rispetto al gene WntA, dimostrando che erano antichi e conservati, probabilmente originati da un lontano antenato comune.

Hanno anche scoperto che D. plexippus (monarca) utilizzava diversi elementi regolatori delle altre quattro specie per controllare il suo gene WntA, forse perché ha perso alcune delle sue informazioni genetiche nel corso della sua storia e ha dovuto reinventare il proprio sistema di regolazione per sviluppare il suo colore unico modelli.

“Siamo progressivamente arrivati ​​a capire che la maggior parte dell’evoluzione si verifica a causa di mutazioni in queste regioni non codificanti”, ha detto Reed. “Quello che spero è che questo documento sia un caso di studio che mostri come le persone possono utilizzare questa combinazione di ATAC-seq e CRISPR per iniziare a interrogare queste regioni interessanti nei propri sistemi di studio, indipendentemente dal fatto che lavorino su uccelli o mosche o vermi. “

Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation (NSF).

“Questa ricerca è una svolta per la nostra comprensione del controllo genetico di tratti complessi, e non solo nelle farfalle”, ha affermato Theodore Morgan, direttore del programma presso l’NSF. “Lo studio non solo ha mostrato come le istruzioni per i modelli di colore delle farfalle siano profondamente conservate nella storia evolutiva, ma ha anche rivelato nuove prove di come i segmenti di DNA regolatori influenzino positivamente e negativamente tratti come colore e forma”.

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