Образование узоров на крыльях бабочек контролируется длинной некодирующей РНК

Пигментация крыльев у бабочек и мотыльков — яркий пример адаптации посредством мимикрии и защитной окраски. В нескольких независимых исследованиях было показано, что локус cortex контролирует разнообразие окраски крыльев у 15 видов чешуекрылых. Ученые из США обнаружили, что с локуса cortex считывается ранее не описанная длинная некодирующая РНК, которой они дали название ivory. Экспрессия ivory происходит на стадии куколки, причем роль этой некодирующей РНК особенно велика в формировании темных элементов окраски крыльев. Результаты работы опубликованы в PNAS.

В качестве модельного объекта ученые выбрали бабочку-почтальона (Heliconius melpomene). Предыдущие исследования роли cortex показали, что выведенная в неволе популяция H. melpomene несет крупную делецию — эту линию бабочек обозначили как ivory (ivory^Δ78k), поскольку при гомозиготной делеции чешуйки бабочек оказывались бесцветными. Нокаут cortex тоже приводил к появлению бабочек с бесцветными чешуйками. Однако тот факт, что cortex экспрессируется только на стадии куколки при формировании крыльев, свидетельствует, что он не может однозначно определять паттерн окраски взрослой бабочки, поэтому его конкретная роль в регуляции окраски крыльев бабочек оставалась неизвестной.

Авторы обсуждаемой работы показали, что, помимо делеции ivory^Δ78k, в локусе cortex существуют и другие участки, влияющие на формирование окраски крыла. Так, аллели, определяющие наличие или отсутствие желтых полос на задних крыльях, сегрегированы на две регуляторных области, локализованных по обе стороны от cortex. У другой бабочки того же рода, Heliconius erato, за указанную фенотипическую черту отвечают различные аллели, локализованные выше 5’-конца cortex. Чтобы подтвердить наличие генетических элементов, окружающих cortex, авторы проанализировали данные секвенирования РНК крыльев на стадии куколки для бабочек обоих видов. Оказалось, что с cortex считывается транскрипт длиной примерно 1,3 тысяч пар оснований и содержащий около 8 экзонов. Этот транскрипт и был назван ivory.

Чтобы определить функции длинной некодирующей РНК ivory, с помощью CRISPR/Cas9-опосредованного мутагенеза ученые удалили области, кодирующие ее промотор и первый экзон. Оказалось, что ivory необходима для формирования меланизированных (темных) чешуек: в отсутствие ivory происходили выраженные изменения в пигментации крыльев, в частности, те элементы, которые должны были быть темными, становились желтыми. Далее с помощью in situ гибридизации, мишенью которой стал первый экзон, авторы работы установили, что высокий уровень экспрессии ivory коррелирует с развитием меланизированных чешуек. Эксперименты с репейницей (Vanessa cardui), показали, что делеция, затрагивающая ivory, приводит к формированию мутантов, у которых все чешуйки на теле содержат мало меланина. Более того, размер делеций, затрагивающих оба аллеля ivory, сказывался на выраженности мутации.

Проанализировав структуру хроматина, ученые выявили топологически ассоциированный домен (TAD) вокруг ivory, причем гистоны в 5'-участке содержали много H3K4me3 — метки активных промоторов. Поэтому авторы работы предположили, что ivory действует на близлежащие гены как транс-регуляторный элемент. При этом удаление белоккодирующей части cortex не влияло на формирование узоров на крыле. Иными словами, именно ivory, а не cortex, задает паттерн окраски крыльев бабочек.

Предполагаемый механизм, по которому ivory регулирует развитие окраски чешуек, основан на метаболизме меланина — по-видимому, эта длинная некодирующая РНК способствует его синтезу. Кроме того, она предотвращает встраивание в темные меланизированные чешуйки 3-гидроксикинуренина — желтого пигмента.

Исследование роли ivory в формировании окраски крыльев у бабочек Agraulis incarnata и данаиды монарха (Danaus plexippus) показало, что этот механизм консервативен среди бабочек группы нимфалид, причем соответствующие локусы могли сформироваться примерно 80 миллионов лет назад.

Таким образом, длинная некодирующая РНК ivory играет ключевую роль в регуляции формирования узоров на крыльях бабочек, обеспечивая адаптивное разнообразие этих узоров.

Установлен механизм, контролирующий развитие глазков на крыльях бабочек