一項新的研究解釋了位於基因之間的DNA–被稱為”垃圾”DNA或非編碼調節DNA–是如何容納一個保存了數千萬至數億年的基本計劃的，同時又允許翅膀模式極快地進化。”蝴蝶翅膀圖案基本計劃的深層順式調控同源性”作為封面故事發表在10月21日的《科學》雜誌上。
該研究支持這樣的觀點，即一個古老的顏色圖案基礎計劃已經在蝴蝶基因組中編碼，非編碼調控DNA像開關一樣工作，以打開一些圖案並關閉其他圖案。
海灣絨毛蝶–Agraulis vanillae。資料來源：Anyi Mazo-Vargas
“我們很想知道同一個基因是如何構建這些看起來非常不同的蝴蝶的，”該研究的第一作者、高級作者羅伯特-里德實驗室的前研究生、農業和生命科學學院的生態學和進化生物學教授Anyi Mazo-Vargas，20歲博士說。Mazo-Vargas目前是喬治華盛頓大學的博士后研究員。
“我們看到有一組非常保守的開關[非編碼DNA]在不同的位置工作，並被激活和驅動基因，”Mazo-Vargas說。
里德實驗室以前的工作已經發現了關鍵的顏色模式基因：一個（WntA）控制條紋，另一個（Optix）控制蝴蝶翅膀的顏色和虹彩。當研究人員禁用Optix基因時，翅膀出現黑色，而當WntA基因被刪除時，條紋圖案消失了。
海灣絨毛蝶（Agraulis vanilla）翅膀的圖案細節，其改變是通過使用基因編輯工具CRISPR/cas9修改非編碼DNA序列造成的。資料來源：Anyi Mazo-Vargas
這項研究的重點是非編碼DNA對WntA基因的影響。具體來說，研究人員在五種蛺蝶中進行了46個這些非編碼元素的實驗，蛺蝶是蝴蝶中最大的家族。
為了讓這些非編碼調控元素控制基因，緊密纏繞的DNA線圈會解開，這是一個調控元素與基因互動的標誌，以激活它，或者在某些情況下，關閉它。
一隻帝王蝶（Danaus plexippus）突變體，它是使用基因編輯工具CRISPR/cas9刪除一個非編碼的DNA序列，也被稱為”垃圾DNA”，它調節着一個控制翅膀形態的基因。資料來源：Anyi Mazo-Vargas
在這項研究中，研究人員使用了一種叫做ATAC-seq的技術來確定基因組中正在發生這種解開的區域。Mazo-Vargas比較了來自五種蝴蝶翅膀的ATAC-seq圖譜，以確定參與翼型發育的遺傳區域。他們驚訝地發現，大量的調控區域在非常不同的蝴蝶物種之間共享。
然後，Mazo-Vargas及其同事採用CRISPR-Cas基因編輯技術，一次禁用46個調控元素，以觀察這些非編碼DNA序列被破壞后對翅膀形態的影響。當刪除時，每個非編碼元素都改變了蝴蝶翅膀模式的一個方面。
研究人員發現，在四個物種中–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，可能起源於一個遙遠的共同祖先。
他們還發現，D. plexippus使用與其他四個物種不同的調控元素來控制其WntA基因，也許是因為它在歷史上失去了一些遺傳信息，不得不重新發明自己的調控系統來發展其獨特的顏色模式。
“我們已經逐漸了解到，大多數進化是由於這些非編碼區域的突變而發生的，”里德說。”我希望的是，這篇論文將成為一個案例，說明人們如何能夠利用ATAC-seq和CRISPR的這種組合，開始在他們自己的研究系統中審問這些有趣的區域，無論他們是在鳥類、蒼蠅還是蠕蟲上工作。”
“這項研究對於我們理解複雜性狀的遺傳控制是一個突破，而且不僅僅是在蝴蝶群體當中，”國家科學基金會的一位項目主任Theodore Morgan說。”這項研究不僅顯示了蝴蝶顏色模式的指令是如何在進化史上深度保守的，而且還揭示了調節性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。”