眼斑是許多蝴蝶物種翅膀上發現的顏色對比強烈的圓形標記，這些翩翩起舞的生物會利用它們來恐嚇或分散捕食者的注意力。由新加坡國立大學(NUS)的Antónia Monteiro教授領導的科學家團隊進行了一項研究以更好地了解這些眼斑的進化起源。
他們發現，眼斑似乎來自於一個複雜的基因網絡的招募，該網絡已經在蝴蝶的身體中運作，以此來建立觸角、腿甚至翅膀。
“這項新研究解決了新的複雜性狀如何起源的問題。這些複雜性狀的發展需要許多相互作用的基因的輸入並經常以脊椎動物的眼睛或細菌的鞭毛來說明。在我們的研究中，我們研究了蝴蝶的眼斑–一個複雜性狀的例子–是如何產生的，並得出結論：蝴蝶在創造眼斑時採用了網絡招募的方法。我們還確定了可能被招募的特定基因網絡，”來自NUS生物科學系的Monteiro教授說道。
這些發現首次發表在2022年2月16日的《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》上。
生物體如何構建的奧秘
理解基因網絡招募可以通過想象一個複雜的計算機程序來進行。據悉，該程序擁有成千上萬行代碼，每一行都代表一個簡單的指令或功能。在代碼中，有一些文本塊，從邊緣向內一點的位置，代表子程序。這些子程序或執行特定任務的指令集在代碼中只寫一次，但在程序運行過程中會反覆引用。為了做到這一點，每個子程序都必須被賦予一個獨特的名稱並在隨後的代碼中被提及。一段複雜的代碼往往包含許多子程序，其中每個獨特的子程序只被完整地寫了一次。
同樣的子程序邏輯似乎也適用於發展過程如何在生物體的DNA中進行編碼。在這種情況下，該子程序被稱為基因調控網絡。基因調控網絡是一連串的指令，涉及到幾個基因按時間順序的轉錄或沉默。生物體在發育過程中通過部署許多這樣的基因調控網絡來以精確的順序來構建。NUS團隊的新研究發現，蝴蝶翅膀上眼斑的發育依賴於一個預先存在的基因調控網絡的部署，該網絡已經被用於構建這些蝴蝶的觸角、腿和翅膀。
據了解,這些子程序的存在以前就曾被假設過，主要是因為同樣的基因不斷被發現表達並與新性狀的發展相關。然而目前還不清楚這些基因在新性狀中的表達是代表新的基因組代碼行。
發現基因網絡招募在新型性狀中的作用
為了弄清這一點，NUS博士后Heidi Connahs博士和博士生Suriya Murugesan先生刪除了基因組中獨特的DNA調控序列，但沒有刪除基因本身，另外還表明多種性狀受到這些突變的影響。這證明了一個單一的基因調控網絡或子程序是所有性狀發展的基礎。被瞄準的兩塊DNA是緊挨着基因Distal-less和spalt的調節開關。當這些約390-700個鹼基對的區域被破壞時，眼點、觸角、腿和翅膀的發育都被破壞了。“觀察這些重要的複雜性狀是如何被DNA中的相同變化所影響的，這非常令人驚訝，”Connahs說道。
Murugesan先生還對翅膀上形成眼斑的組織碎片進行了測序並將整套表達的基因跟其他性狀中表達的基因進行了比較。Murugesan表示：“眼斑跟觸角共享最接近的基因表達譜，但跟腿或其他翅膀組織如翅膀邊緣卻不一樣。”NUS博士后Yuji Matusoka博士隨後檢查了在眼斑和觸角中表達的三個基因，他們發現它們之間的調節聯繫是相同的–一個基因對調節另外兩個基因很重要。
Monteiro教授說道：“這些實驗依賴於發現突變，這些突變在胚胎注射后正好擊中了眼斑中心細胞，這需要很大的耐心。”
總的來說，該研究強調了新複雜特徵的進化如蝴蝶的眼斑是通過遺傳密碼的突變進行的，這些突變回顧了基因組中預先存在的子程序，該程序已經用於其他複雜特徵如觸角和其他肢體。產生這些預先存在的基因網絡的重新部署的突變類型仍有待發現，但預測它們是普通的突變，在偶然的情況下，導致召回預先存在的涉及數百個基因的大型基因組子程序。
據悉，研究人員接下來將進一步測試來自沒有眼斑的蝴蝶物種的這兩個基因的相應調控序列是否能激活有眼窩的物種中眼窩區域的基因表達。“這將是錦上添花，”Monteiro教授說道，“因為它進一步證實了一個舊的子程序的基因序列將被召回到具有召回突變的物種體內的那個新地方。”