Studie zeigt, dass RNA-Molekül die Flügelfärbung von Schmetterlingen steuert

Ein Team internationaler Forscher hat einen überraschenden genetischen Mechanismus entdeckt, der die lebendigen und komplexen Muster der Schmetterlingsflügel beeinflusst. In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenDas von Luca Livraghi von der George Washington University und der University of Cambridge geleitete Team entdeckte, dass ein RNA-Molekül und nicht wie bisher angenommen ein Protein eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Verteilung des schwarzen Pigments auf den Flügeln von Schmetterlingen spielt.

Wie Schmetterlinge die lebendigen Muster und Farben auf ihren Flügeln erzeugen, fasziniert Biologen seit Jahrhunderten. Der in den Zellen sich entwickelnder Schmetterlingsflügel enthaltene genetische Code bestimmt die spezifische Anordnung der Farben auf den Flügelschuppen (den mikroskopischen Kacheln, die Flügelmuster bilden), ähnlich der Anordnung farbiger Pixel zur Bildung eines digitalen Bildes. Die Entschlüsselung dieses Codes ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis, wie unsere eigenen Gene unsere Anatomie aufbauen. Im Labor können Forscher diesen Code bei Schmetterlingen mithilfe von Gen-Editing-Tools manipulieren und die Auswirkung auf sichtbare Merkmale wie die Farbe eines Flügels beobachten.

Wissenschaftler wissen seit langem, dass proteinkodierende Gene für diese Prozesse unerlässlich sind. Diese Arten von Genen erzeugen Proteine, die bestimmen können, wann und wo eine bestimmte Skala ein bestimmtes Pigment erzeugen soll. Bei schwarzen Pigmenten dachten die Forscher, dass dieser Prozess nicht anders sein würde und beteiligten sich zunächst an einem Protein-kodierenden Gen. Die neue Studie zeichnet jedoch ein anderes Bild.

Das Team entdeckte ein Gen, das ein RNA-Molekül – kein Protein – produziert, das steuert, wo während der Schmetterlingsmetamorphose schwarze Pigmente produziert werden. Mithilfe der CRISPR-Genombearbeitungstechnik zeigten die Forscher, dass die Schmetterlinge ihre schwarz pigmentierten Schuppen vollständig verlieren, wenn das Gen, das das RNA-Molekül produziert, gelöscht wird, was einen klaren Zusammenhang zwischen der RNA-Aktivität und der Entwicklung schwarzer Pigmente zeigt.

„Was wir gefunden haben, ist erstaunlich“, sagte Livraghi, ein Postdoktorand bei GW. „Dieses RNA-Molekül beeinflusst direkt, wo schwarzes Pigment auf den Flügeln erscheint, und formt die Farbmuster des Schmetterlings auf eine Weise, die wir nicht erwartet hatten. »

Die Forscher untersuchten außerdem, wie das RNA-Molekül während der Flügelentwicklung funktioniert. Durch die Untersuchung seiner Aktivität beobachteten sie eine perfekte Korrelation zwischen dem Ort, an dem die RNA exprimiert wird, und dem Ort, an dem sich die schwarzen Schuppen bilden.

„Wir waren erstaunt, dass dieses Gen dort aktiviert wird, wo sich die schwarzen Schuppen auf dem Flügel mit außerordentlicher Präzision entwickeln“, sagte Arnaud Martin, außerordentlicher Professor für Biologie an der GW. „In diesem Sinne ist es wirklich ein evolutionärer Pinsel und ein kreativer Pinsel, gemessen an seinen Auswirkungen auf mehrere Arten. »

Die Forscher untersuchten die neu entdeckte RNA bei mehreren anderen Schmetterlingen, deren Evolutionsgeschichte vor rund 80 Millionen Jahren auseinander ging. Sie fanden heraus, dass sich bei jeder dieser Arten RNA entwickelt hatte, um neue Stellen in den dunklen Pigmentmustern zu kontrollieren.

„Die konsistenten Ergebnisse von CRISPR-Mutanten in mehreren Arten zeigen wirklich, dass dieses RNA-Gen keine neue Erfindung ist, sondern ein zentraler Mechanismus der Vorfahren zur Kontrolle der Flügelmustervielfalt“, sagte Riccardo Papa, Professor für Biologie an der Universität von Puerto Rico-Río Piedras.

„Wir und andere haben dieses genetische Merkmal bei vielen Schmetterlingsarten untersucht und herausgefunden, dass dieselbe RNA immer wieder verwendet wird, von Langflügelschmetterlingen über Monarchfalter bis hin zu Distelfaltern“, sagte Joe Hanly, Postdoktorand und Gastwissenschaftler bei GW. „Dies ist eindeutig ein entscheidendes Gen für die Entwicklung von Flügelmustern. Ich frage mich, welche anderen ähnlichen Phänomene Biologen möglicherweise übersehen haben, weil sie der dunklen Materie des Genoms keine Aufmerksamkeit geschenkt haben. »

Diese Erkenntnisse stellen nicht nur lang gehegte Annahmen über die genetische Regulation in Frage, sondern eröffnen auch neue Möglichkeiten für die Untersuchung, wie sich sichtbare Merkmale bei Tieren entwickeln.

Die Studie „Eine lange nichtkodierende RNA am Cortex-Locus steuert die adaptive Färbung bei Schmetterlingen“ wurde am 30. August 2024 in der Zeitschrift veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.