Новое исследование показало, что микроРНК контролирует изменение цвета крыльев бабочек и мотыльков, как показано на примере диких (слева) и мутантных (справа) африканских бабочек-кошачьих.

Во время промышленной революции светлая пятнистая британская переливница выделялась на фоне почерневших от сажи деревьев и городских стен. Этот резкий контраст привёл к эволюции более тёмной окраски, так как более светлых бабочек чаще поедали хищники. Это классический пример естественного отбора. Хотя экологические факторы, лежащие в основе этого изменения, хорошо изучены, генетические механизмы остаются неясными.

Исследователи долгое время считали, что чёрный и более тёмный цвет крыльев у чешуекрылых (бабочек и мотыльков) регулируется геном кортика, кодирующим белок.1,2 Однако в 2019 году Шен Тиан, в то время аспирант в группе Антониа Монтейро в Национальном университете Сингапура, сделал удивительное открытие. Когда он отключил кортик, ожидаемое изменение чёрного цвета крыльев бабочек на белый не произошло с высокой частотой. Озадаченный, он задался вопросом, не затронут ли ещё какой-нибудь генетический компонент рядом с этим геном. Это побудило его изучить микроРНК (миРНК), ключевые некодирующие регуляторы экспрессии генов, которые часто упускают из виду, как потенциальных регуляторов окраски крыльев.

Теперь в статье, опубликованной в Science, Тянь и его коллеги определили mir-193, микроРНК, закодированную рядом с кортикоидом в геноме, как ключевой регулятор пигментации крыльев.3 Их результаты показывают, что нарушение экспрессии mir-193 приводит к исчезновению чёрного и тёмного цветов крыльев у трёх видов бабочек. Эти результаты показывают, что микроРНК, а не кортикоид, контролирует окраску крыльев, и подчёркивают роль некодирующих РНК в этом фенотипическом разнообразии.

Детское увлечение Тиана бабочками, вдохновлённое их красотой, когда он наблюдал, как они отдыхают на цветах у него на заднем дворе, пробудило в нём раннюю страсть к биологии. Это любопытство в конечном итоге привело его к изучению микроРНК. Во время учёбы в аспирантуре он увидел возможность объединить свои знания о микроРНК с интересом к бабочкам, который он испытывал на протяжении всей жизни, и начал изучать малоизученную роль микроРНК в формировании окраски крыльев бабочек и мотыльков.

Обнаружение микроРНК в стандартных библиотеках транскриптома мРНК является сложной задачей из-за минимальной аннотации. Чтобы решить эту проблему, Тянь секвенировал и аннотировал РНК и микроРНК модельной бабочки Bicyclus anynana, чтобы создать собственные библиотеки микроРНК. Изучая локус кортика, предполагаемый генетический регулятор структуры крыльев, он заметил две соседние микроРНК: mir-193 и mir-2788.

«Я думал, что эти микроРНК будут лишь незначительно влиять на экспрессию генов — может быть, они немного подавляют ген, но не оказывают существенного воздействия», — сказал Монтейро. Тем не менее Тиан был убеждён, что это многообещающая зацепка, поэтому Монтейро посоветовал ему изучить эти две микроРНК.

Чтобы выяснить функцию этих двух микроРНК, Тиан использовал редактирование генов CRISPR-Cas9, чтобы отключить mir-193 или mir-2788 в трёх разных линиях бабочек: африканской коричневой бабочке-кокетке (B. anynana), индийской капустной белянке (Pieris canidia) и обыкновенной мормонской бабочке (Papilio polytes). В результате получились мозаичные бабочки с разной степенью окраски. Однако, когда Тянь нарушил работу кортикальной и трёх других генов, кодирующих белки, в той же области генома, тёмные крылья бабочек-мозаиков почти не изменили цвет. Чтобы продолжить исследование, он скрестил бабочек-мозаиков, чтобы получить чистые гомозиготные линии с нокаутированной микроРНК. Тянь обнаружил, что у бабочек с mir-193 и mir-2788 гомозиготные mir-193 бабочки имели более светлые крылья, что указывает на то, что mir-193 является ключевым регулятором тёмного цвета у этих чешуекрылых.

«Я до сих пор помню, как вошёл в инсектарий и увидел, как из куколок B. anynana появляются бабочки, и я увидел [чистый гомозиготный мутантный] фенотип — светло-коричневую бабочку, — и это было очень интересно».

Хотя Тянь идентифицировал микроРНК, исходный геномный транскрипт, который обрабатывал mir-193, был неизвестен. «[Mir-193] сначала транскрибируется как длинная последовательность, и существует механизм, который разрезает небольшую шпилечную структуру для производства этих микроРНК», — сказал Тянь. Команда исследователей использовала секвенирование РНК и определила область, в которой mir-193 и mir-2788 перекрываются в интроне длинной некодирующей РНК (лнкРНК) под названием «слоновая кость», которая была недавно открыта двумя другими группами.

Тянь сравнил мутантов mir-193 и ivory и обнаружил у бабочек схожие фенотипические признаки, что позволяет предположить, что эти гены играют схожую роль и что mir-193 происходит от ivory. Это наблюдение побудило Тяня исследовать, воздействует ли mir-193 напрямую на несколько генов пигментации, проанализировав различия в транскриптоме между крыльями бабочек дикого типа и мутантов.

«Мы выяснили, что у мутантов был нарушен ген эбенового дерева, — объяснил Монтейро. — Эбеновое дерево тесно связано с меланиновым путём, и именно так мы смогли замкнуть круг».

«Эти длинные некодирующие РНК и микроРНК [ранее] были для нас невидимы из-за экспериментальных ошибок. Они не кодировали белки и не были аннотированы, так как у нас не было инструментов, чтобы изначально оценить их важность», — отметил Арно Мартин, биолог-эволюционист из Университета Джорджа Вашингтона, который не участвовал в исследовании. Группа Мартина вместе с биологом-эволюционистом Робертом Ридом и его командой из Корнеллского университета ранее продемонстрировала роль слоновой кости в регулировании окраски у другого вида бабочек.4,5 Мартин отметил, что результаты Тиана подтверждают и дополняют это предыдущее исследование, добавив, что лнкРНК и микроРНК — это две стороны одной медали, где слоновая кость вырабатывает mir-193, который воздействует на ген эбенового дерева.

Основываясь на этом, Тянь исследовал, распространяется ли роль mir-193, наблюдаемая у чешуекрылых, на аутгруппу, такую как Drosophila melanogaster, несмотря на различия в его расположении в геноме и отсутствие гена ivory. Тянь обнаружил схожие эффекты: сверхэкспрессия mir-193 усиливала пигментацию, а её подавление приводило к более светлой окраске, что подчёркивает консервативную роль mir-193.

«Это определённо поднимает новые вопросы о том, встречается ли эта особенность у других узорчатых насекомых, таких как брюшко мухи или шмеля», — сказал Мартин.