科学探索|基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代"垃圾"DNA的秘密

一项新的研究解释了位于基因之间的DNA--被称为"垃圾"DNA或非编码调节DNA--是如何容纳一个保存了数千万至数亿年的基本计划的,同时又允许翅膀模式极快地进化 。"蝴蝶翅膀图案基本计划的深层顺式调控同源性"作为封面故事发表在10月21日的《科学》杂志上 。
该研究支持这样的观点,即一个古老的颜色图案基础计划已经在蝴蝶基因组中编码,非编码调控DNA像开关一样工作,以打开一些图案并关闭其他图案 。
科学探索|基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代"垃圾"DNA的秘密
文章图片

海湾绒毛蝶--Agraulis vanillae 。资料来源:Anyi Mazo-Vargas
"我们很想知道同一个基因是如何构建这些看起来非常不同的蝴蝶的,"该研究的第一作者、高级作者罗伯特-里德实验室的前研究生、农业和生命科学学院的生态学和进化生物学教授Anyi Mazo-Vargas,20岁博士说 。Mazo-Vargas目前是乔治华盛顿大学的博士后研究员 。
"我们看到有一组非常保守的开关[非编码DNA]在不同的位置工作,并被激活和驱动基因,"Mazo-Vargas说 。
里德实验室以前的工作已经发现了关键的颜色模式基因:一个(WntA)控制条纹,另一个(Optix)控制蝴蝶翅膀的颜色和虹彩 。当研究人员禁用Optix基因时,翅膀出现黑色,而当WntA基因被删除时,条纹图案消失了 。
科学探索|基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代"垃圾"DNA的秘密
文章图片

海湾绒毛蝶(Agraulis vanilla)翅膀的图案细节,其改变是通过使用基因编辑工具CRISPR/cas9修改非编码DNA序列造成的 。资料来源:Anyi Mazo-Vargas
这项研究的重点是非编码DNA对WntA基因的影响 。具体来说,研究人员在五种蛱蝶中进行了46个这些非编码元素的实验,蛱蝶是蝴蝶中最大的家族 。
【科学探索|基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代"垃圾"DNA的秘密】为了让这些非编码调控元素控制基因,紧密缠绕的DNA线圈会解开,这是一个调控元素与基因互动的标志,以激活它,或者在某些情况下,关闭它 。
科学探索|基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代"垃圾"DNA的秘密
文章图片

一只帝王蝶(Danaus plexippus)突变体,它是使用基因编辑工具CRISPR/cas9删除一个非编码的DNA序列,也被称为"垃圾DNA",它调节着一个控制翅膀形态的基因 。资料来源:Anyi Mazo-Vargas
在这项研究中,研究人员使用了一种叫做ATAC-seq的技术来确定基因组中正在发生这种解开的区域 。Mazo-Vargas比较了来自五种蝴蝶翅膀的ATAC-seq图谱,以确定参与翼型发育的遗传区域 。他们惊讶地发现,大量的调控区域在非常不同的蝴蝶物种之间共享 。
然后,Mazo-Vargas及其同事采用CRISPR-Cas基因编辑技术,一次禁用46个调控元素,以观察这些非编码DNA序列被破坏后对翅膀形态的影响 。当删除时,每个非编码元素都改变了蝴蝶翅膀模式的一个方面 。
研究人员发现,在四个物种中--Junonia coenia (buckeye)、Vanessa cardui (painted lady)、Heliconius himera和Agraulis vanillae (gulf fritillary)--这些非编码元素的功能与WntA基因相似,证明它们是古老和保守的,可能起源于一个遥远的共同祖先 。
他们还发现,D. plexippus使用与其他四个物种不同的调控元素来控制其WntA基因,也许是因为它在历史上失去了一些遗传信息,不得不重新发明自己的调控系统来发展其独特的颜色模式 。
"我们已经逐渐了解到,大多数进化是由于这些非编码区域的突变而发生的,"里德说 。"我希望的是,这篇论文将成为一个案例,说明人们如何能够利用ATAC-seq和CRISPR的这种组合,开始在他们自己的研究系统中审问这些有趣的区域,无论他们是在鸟类、苍蝇还是蠕虫上工作 。"