該研究支持這樣的觀點(diǎn)，即一個(gè)古老的顏色圖案基礎(chǔ)計(jì)劃已經(jīng)在蝴蝶基因組中編碼，非編碼調(diào)控DNA像開(kāi)關(guān)一樣工作，以打開(kāi)一些圖案并關(guān)閉其他圖案。

海灣絨毛蝶--Agraulis vanillae。資料來(lái)源：Anyi Mazo-Vargas

(資料圖片僅供參考)

"我們很想知道同一個(gè)基因是如何構(gòu)建這些看起來(lái)非常不同的蝴蝶的，"該研究的第一作者、高級(jí)作者羅伯特-里德實(shí)驗(yàn)室的前研究生、農(nóng)業(yè)和生命科學(xué)學(xué)院的生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生物學(xué)教授Anyi Mazo-Vargas，20歲博士說(shuō)。Mazo-Vargas目前是喬治華盛頓大學(xué)的博士后研究員。

"我們看到有一組非常保守的開(kāi)關(guān)[非編碼DNA]在不同的位置工作，并被激活和驅(qū)動(dòng)基因，"Mazo-Vargas說(shuō)。

里德實(shí)驗(yàn)室以前的工作已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的顏色模式基因：一個(gè)（WntA）控制條紋，另一個(gè)（Optix）控制蝴蝶翅膀的顏色和虹彩。當(dāng)研究人員禁用Optix基因時(shí)，翅膀出現(xiàn)黑色，而當(dāng)WntA基因被刪除時(shí)，條紋圖案消失了。

海灣絨毛蝶（Agraulis vanilla）翅膀的圖案細(xì)節(jié)，其改變是通過(guò)使用基因編輯工具CRISPR/cas9修改非編碼DNA序列造成的。資料來(lái)源：Anyi Mazo-Vargas

這項(xiàng)研究的重點(diǎn)是非編碼DNA對(duì)WntA基因的影響。具體來(lái)說(shuō)，研究人員在五種蛺蝶中進(jìn)行了46個(gè)這些非編碼元素的實(shí)驗(yàn)，蛺蝶是蝴蝶中最大的家族。

為了讓這些非編碼調(diào)控元素控制基因，緊密纏繞的DNA線圈會(huì)解開(kāi)，這是一個(gè)調(diào)控元素與基因互動(dòng)的標(biāo)志，以激活它，或者在某些情況下，關(guān)閉它。

一只帝王蝶（Danaus plexippus）突變體，它是使用基因編輯工具CRISPR/cas9刪除一個(gè)非編碼的DNA序列，也被稱為"垃圾DNA"，它調(diào)節(jié)著一個(gè)控制翅膀形態(tài)的基因。資料來(lái)源：Anyi Mazo-Vargas

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用了一種叫做ATAC-seq的技術(shù)來(lái)確定基因組中正在發(fā)生這種解開(kāi)的區(qū)域。Mazo-Vargas比較了來(lái)自五種蝴蝶翅膀的ATAC-seq圖譜，以確定參與翼型發(fā)育的遺傳區(qū)域。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，大量的調(diào)控區(qū)域在非常不同的蝴蝶物種之間共享。

然后，Mazo-Vargas及其同事采用CRISPR-Cas基因編輯技術(shù)，一次禁用46個(gè)調(diào)控元素，以觀察這些非編碼DNA序列被破壞后對(duì)翅膀形態(tài)的影響。當(dāng)刪除時(shí)，每個(gè)非編碼元素都改變了蝴蝶翅膀模式的一個(gè)方面。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在四個(gè)物種中--Junonia coenia (buckeye)、Vanessa cardui (painted lady)、Heliconius himera和Agraulis vanillae (gulf fritillary)--這些非編碼元素的功能與WntA基因相似，證明它們是古老和保守的，可能起源于一個(gè)遙遠(yuǎn)的共同祖先。

他們還發(fā)現(xiàn)，D. plexippus使用與其他四個(gè)物種不同的調(diào)控元素來(lái)控制其WntA基因，也許是因?yàn)樗跉v史上失去了一些遺傳信息，不得不重新發(fā)明自己的調(diào)控系統(tǒng)來(lái)發(fā)展其獨(dú)特的顏色模式。

"我們已經(jīng)逐漸了解到，大多數(shù)進(jìn)化是由于這些非編碼區(qū)域的突變而發(fā)生的，"里德說(shuō)。"我希望的是，這篇論文將成為一個(gè)案例，說(shuō)明人們?nèi)绾文軌蚶肁TAC-seq和CRISPR的這種組合，開(kāi)始在他們自己的研究系統(tǒng)中審問(wèn)這些有趣的區(qū)域，無(wú)論他們是在鳥(niǎo)類、蒼蠅還是蠕蟲(chóng)上工作。"

"這項(xiàng)研究對(duì)于我們理解復(fù)雜性狀的遺傳控制是一個(gè)突破，而且不僅僅是在蝴蝶群體當(dāng)中，"國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的一位項(xiàng)目主任Theodore Morgan說(shuō)。"這項(xiàng)研究不僅顯示了蝴蝶顏色模式的指令是如何在進(jìn)化史上深度保守的，而且還揭示了調(diào)節(jié)性DNA片段如何積極和消極地影響諸如顏色和形狀等性狀的新證據(jù)。"