«Принято считать, что несколько генов должны работать вместе, чтобы контролировать весь рисунок крыльев бабочки», — сказал Маркус Кронфорст, доцент кафедры экологии семьи Нойбауэр. Эволюция в Чикагском университете и старший автор исследования. «Но в данном случае это только один. Этот единственный ген, контролирующий половую дифференциацию, был использован для выполнения совершенно новой работы».На протяжении веков изучаемый как пример естественного отбора, мимикрия рисунка крыльев у бабочек позволяет нетоксичным видам имитировать рисунок, цвет и форму крыльев токсичных видов, чтобы предотвратить нападение хищников.
У некоторых бабочек-парусников этот процесс регулируется одним участком генома. Из-за сложности форм, связанных с мимикрией, исследователи предположили, что эта область содержит «суперген» — несколько тесно связанных генов, каждый из которых контролирует подмножество рисунка крыльев.
Однако об этом предполагаемом супергене мимикрии было мало что известно.Чтобы определить его функцию, Кронфорст и его команда изучили Papilio polytes, азиатский вид бабочек-ласточкин хвост, который демонстрирует ограниченную по полу мимикрию. Самки обладают одним из четырех разных видов крыльев, три из которых имитируют токсичные виды, в то время как оставшаяся женская форма и все самцы остаются немиметическими.
Посредством процесса генетического картирования, который включал спаривание бабочек с разным рисунком крыльев и сравнение геномов примерно 500 потомков, команда определила пять возможных генов, участвующих в мимикрии. Затем они секвенировали геномы 30 бабочек, равномерно разделенных на миметические и немиметические, и искали корреляции между этими специфическими генами и рисунком крыльев.К их удивлению, только у одного, двойного секса, обнаружилась ассоциация.
Хорошо зарекомендовавший себя как ген, контролирующий половую дифференциацию у насекомых, даблсекс функционирует за счет альтернативного сплайсинга. При копировании в информационную РНК она разрезается и перестраивается в разные изоформы, которые затем передают клеткам инструкции, должны ли они быть мужскими или женскими.Кронфорст и его команда обнаружили, что даблсекс также может быть разделен на несколько изоформ в Papilio polytes.
Два, в частности, были экспрессированы на чрезвычайно высоких уровнях в крыльях миметических бабочек по сравнению с немиметическими самками. Прослеживая белок doublesex от гусеницы до куколки и бабочки, команда обнаружила, что выражение doublesex точно совпадает с рисунком крыльев.«Если вы посмотрите на ткань крыла куколки через пять дней после того, как она образует куколку, вы увидите, что это просто гибкий кусок белой ткани», — сказал Кронфорст. «Но когда вы смотрите на то, где на крыле производят даблсекс, это выглядит точно так же, как будущий образец крыла взрослого».
Как один ген контролирует такое количество различных функций, остается неясным. Кронфорст предполагает, что некодирующая регуляторная ДНК, которая контролирует, когда и где проявляется двойной секс, может играть роль.
Команда также обнаружила, что у бабочек-миметиков ген двойного пола инвертирован в геноме. Эта инверсия исключает возможность рекомбинации — аллели остаются отличными друг от друга и накапливают различные мутации.
Это привело к структурным различиям в белке doublesex между миметическими и немиметическими бабочками. Поскольку двойной секс является фактором транскрипции и активирует другие гены, исследователи полагают, что эти различия также могут вносить вклад в изменение рисунка крыльев.
«Мы проиллюстрировали генетическую основу мимикрии, ограниченной самками этих бабочек», — сказал Вэй Чжан, доктор философии, научный сотрудник Чикагского университета и ведущий автор исследования. «Но это только первый шаг. Как даблсекс оказался вовлеченным в этот процесс, до сих пор неясно и требует дальнейшего изучения».
Ведущий автор исследования Крушнамег Кунте, доктор философии из Национального центра биологических наук в Бангалоре, Индия, и бывший научный сотрудник лаборатории Кронфорста, ожидает, что будущие исследования определят, будет ли этот тип феномена обнаружен у других видов. «Среди видов животных мы находим примеры, когда полиморфизм встречается у одного или другого пола», — сказал он. «Мы изучаем это в контексте мимикрии, но возможно, что этот путь дифференциации пола, который мы обнаружили у бабочек, мог быть путем, который в более широком смысле важен для полиморфизма, ограниченного полом».