Малая интерферирующая РНК miR-193 регулирует окраску крыльев бабочек

Внутривидовое разнообразие окраски крыльев у бабочек и моли (отряд Lepidoptera) контролируется локусом, содержащим ген cortex. Именно вставка транспозона в cortex сыграла ключевую роль в формировании популяции бабочек-меланистов, которые размножились в Англии после промышленной революции и загрязнения среды копотью. Функциональные исследования с использованием CRISPR-Cas9 подтверждают важную роль этого локуса в формировании окраски крыльев, однако при этом указывают на присутствие и влияние неких до сих пор не изученных генетических элементов. 

Ученые из Японии, Сингапура и США задались целью проверить, могут ли малые интерферирующие РНК (миРНК), присутствующие в локусе гена cortex, регулировать его активность. Результаты их исследования опубликованы на страницах Science.

Для этого они провели скрининг последовательностей, фланкирующих локус гена cortex, на наличие каких-либо миРНК. Анализ проводили на модельном виде — бабочках-нимфалидах Bicyclus anynana; было обнаружено две такие миРНК — mir-193 и mir-2788.

В экспериментах по эмбриональному нокауту cortex у B. anynana с помощью CRISPR-Cas9 гидовые РНК (sgRNA) разработали таким образом, чтобы нарушить основные целевые сайты рибонуклеаз Drosha или Dicer, участвующих в процессинге миРНК, и эффективно блокировать биогенез зрелых миРНК. Мозаичные (гетерозиготные) нокауты обеих миРНК образовывали сходные фенотипы, но частота встречаемости у них различалась. При нокауте mir-193 у 74-83% бабочек обоих полов наблюдалось снижение уровня меланина во всех частях тела, покрытых чешуйчатыми клетками (крылья, антенны, лапки и брюшко), при этом многие из них не могли летать. Мозаичный нокаут mir-2788 привел к изменению окраски крыльев только у 0-8 % взрослых особей, не вызывая нарушений полета.

С целью установить прямое влияние генотипа cortex на фенотип ученые скрестили мозаичных насекомых первого поколения и получили линии бабочек, несущих мутации обеих миРНК в гомозиготном состоянии. Для mir-2788 была получена только одна мутантная линия бабочек с делецией размером 14 пар нуклеотидов (п.н.) вокруг 5′ сайта процессинга Drosha, при которой видимых фенотипических изменений не наблюдалось ни у гетерозигот, ни у гомозигот. Однако для mir-193 были получены четыре мутантные линии с короткими делециями длиной 4, 6, 19 и 24 п.н. вокруг 5’-концевого сайта процессинга Drosha. Все особи с гомозиготными делециями от 6 до 24 п.н. имели почти одинаковую светло-коричневую окраску крыльев, а «черные диски» похожих на глаза узоров крыльев стали белыми. Бабочки этих линий совсем не могли летать. Фенотипические изменения у нимфалид с более короткой гомозиготной делецией длиной 4 п.н. проявлялись слабее: они не теряли способность летать, а их крылья имели немного более темную окраску крыльев и «черные диски» на них. Бабочки с гетерозиготными делециями любого размера, то есть всех четырех линий, были похожи на особей дикого типа как по окраске, так и по поведению, что указывает на рецессивный характер этих аллелей. Увеличение экспрессии миРНК miR-193 коррелировало с более темным цветом крыльев, что говорит о дозозависимом эффекте гена mir-193 на интенсивность пигментации.

Аналогичные результаты авторы получили с двумя видами бабочек других семейств: у белянки Pieris canidia все черно-серые участки крыльев стали белыми, но желтый цвет сохранился. У темно окрашенной в норме Papilio polytes черная окраска крыла исчезла, и появились разнообразные белые, желтые и красные цвета. Это позволяет предположить, что mir-193 играет консервативную роль в образовании пигментации у представителей трех основных семейств бабочек, которые эволюционно разошлись около 90 миллионов лет назад. Также было установлено, что у Lepidoptera mir-193 происходит от первичной длинной некодирующей РНК (lncRNA) ivory.

Прямыми генами-мишенями mir-193 оказались, среди прочих, гены ebony, Esp1 и yellow-e3, известные своей ролью в регуляции пигментации и формировании окраски. Четыре предполагаемых сайта связывания miR-193 были обнаружены либо прямо в кодирующей последовательности, либо в 3′ нетранслируемой области (3′ UTR) этих генов.

В завершение исследователи доказали, что miR-193 играет схожую роль у представителей совсем другого отряда насекомых — мух Drosophila melanogaster — у которых эта миРНК находится в другом локусе. Оверэкспрессия mir-193 формировала более темную окраску по сравнению с контрольной линией мух.

Таким образом, миРНК miR-193, происходящая в результате процессинга из первичного транскрипта lncRNA ivory, регулирует наиболее подверженный изменениям генетический локус, лежащий в основе адаптивной эволюции у животных. Этот результат и будущие исследования некодирующих РНК помогут проверить давнюю гипотезу о том, что основной движущей силой эволюции, обеспечивающей многообразие и сложность организмов, выступают именно быстро меняющиеся некодирующие элементы генома, а не относительно статичные белок-кодирующие последовательности.