Установлен механизм, контролирующий развитие глазков на крыльях бабочек

Гипотеза о перенаправлении сложившейся регуляторной сети генов на развитие новых морфологических черт не нова. Как сообщается в новой работе, опубликованной в PNAS, именно этот сценарий был реализован при формировании механизма, контролирующего развитие глазков на крыльях бабочек. Авторы исследования показали, что регуляторная сеть, включающая гены Distal-less (Dll), spalt (sal) и Antennapedia (Antp), необходимая для развития антенн, ног и крыльев у насекомых, управляет также формированием узора из глазков на крыльях бабочек.

Ученые работали с бабочкой Bicyclus anynana из семейства нимфалид, которую ранее уже использовали как модель для изучения механизмов формирования глазков. Авторы работы сравнили транскриптомный профиль крыльев в области глазков с транскриптомным профилем антенн. Они показали, что по профилям экспрессии генов эти ткани весьма схожи.

Чтобы выяснить, какие именно гены вовлечены в формирование глазков, ученые анализировали также транскрипционный профиль обычной ткани крыла, не включающей глазки. Оказалось, что две области крыла отличаются по экспрессии 652 генов, в число которых вошли DII и Antp.

В ходе транскриптомного анализа авторы показали, что глазки крыльев и антенны формируют кладу, сестринскую по отношению ко всем остальным тканям в теле бабочки, включая ноги, которые считают структурами, гомологичными антеннам. Однако в глазках также экспрессируется ген Antp, который отличает ноги от антенн. Сравнительный анализ экспрессии генов в глазках у 23 видов бабочек показал, что исходно глазки появились без участия гена Antp. Однако этот ген был включен в состав регуляторной сети, контролирующей формирование глазков, по крайней мере у двух линий бабочек, включая предков B. anynana.

Предыдущие исследования показали, что в отсутствие экспрессии Antp и Dll у B. anynana глазки не формируются. Авторы новой работы проверили, необходим ли ген sal для формирования глазков. Нокаут sal с помощью CRISPR-Cas9 дал различные фенотипы: у некоторых бабочек глазков не было совсем, у других нарушались симметрия и другие аспекты строения крыла. Возникли и два новых, ранее не описанных фенотипа: в одном случае центр глазка разделился на два, в другом черные чешуйки в глазке были заменены на оранжевые. Так или иначе, эксперимент показал, что ген sal необходим для нормального формирования глазков.

Ученые показали, что при развитии глазка ген DII активирует экспрессию Antp и sal, а эти два гена взаимно усиливают экспрессию друг друга в глазках на передних крыльях. Любопытно, что связь между генами DII и sal в развивающемся глазке очень близка к таковой в антеннах плодовой мушки Drosophila melanogaster.

Авторы работы также идентифицировали два плейотропных цис-регуляторных элемента, контролирующих описанную выше сеть генов DII, Antp и sal в глазках, антеннах, ногах и крыльях.