《Science》封面故事：基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代“垃圾”DNA的秘密

根据一项新的研究，蝴蝶的翅膀图案有一个基本的规划，由非编码调节DNA操纵，以创造不同物种翅膀的多样性。

　　

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——如何适应一个保存了数千万到数亿年的基本计划，同时允许翅膀图案极其快速地进化。在10月21日出版的《Science》杂志上，“蝴蝶翅膀图案的深度顺式调控同源性”作为封面故事发表。

这项研究支持这样一种观点，即蝴蝶基因组中已经编码了一种古老的颜色模式，非编码调节DNA像开关一样工作，打开一些模式，关闭另一些模式。

“我们很想知道相同的基因是如何造就这些长相迥异的蝴蝶的，”该研究的第一作者、农业与生命科学学院生态和进化生物学教授Robert Reed实验室的前研究生、Anyi Mazo-Vargas博士说。Mazo-Vargas目前是乔治华盛顿大学的博士后研究员。

“我们发现有一组非常保守的开关(非编码DNA)在不同的位置工作，被激活并驱动基因，”Mazo-Vargas说。

Reed实验室之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彩虹色。当研究人员禁用Optix基因时，翅膀呈现黑色，当WntA基因被删除时，条纹图案消失。

Agraulis vanilla蝴蝶翅膀的图案细节，由基因编辑工具CRISPR/cas9对非编码DNA序列的修饰引起的改变。

本研究主要研究非编码DNA对WntA基因的影响。具体来说，研究人员在五种蛱蝶(蛱蝶是蝴蝶的最大家族)的身上进行了46个非编码元素的实验。

为了让这些非编码的调控元件控制基因，紧密缠绕的DNA线圈变得松散，这是一个信号，表明调控元件正在与基因相互作用，激活基因，或在某些情况下关闭基因。

在这项研究中，研究人员使用了一种叫做ATAC-seq的技术来识别基因组中发生这种解开的区域。马佐-瓦格斯比较了五种蝴蝶翅膀的ATAC-seq谱，以确定与翅膀模式发展有关的遗传区域。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。

Mazo-Vargas和他的同事随后使用CRISPR-Cas基因编辑技术，一次使46个调控元件失效，以观察当这些非编码DNA序列被破坏时对翅膀图案的影响。删除后，每个非编码元素改变了蝴蝶翅膀图案的一个方面。

研究人员发现，在四种物种中——Junonia coenia (眼形斑翅蝴蝶）、Vanessa cardui (小苎麻赤蛱蝶)、Heliconius himera（黑妹袖蝶）和Agraulis vanillae(海湾贝母)——每一种非编码元素对WntA基因都有相似的功能，证明它们是古老和保守的，很可能起源于一个遥远的共同祖先。

他们还发现，D. plexippus (黑脉金斑蝶)使用了与其他四种不同的调控元件来控制它的WntA基因，可能是因为它在历史上丢失了一些遗传信息，不得不重新发明自己的调控系统，以形成独特的颜色模式。

Reed说:“我们已经逐渐认识到，大多数进化发生在这些非编码区域的突变中。我希望这篇论文将成为一个案例研究，展示人们如何使用ATAC-seq和CRISPR的组合，开始在他们自己的研究系统中询问这些有趣的区域，无论它们是在鸟类、果蝇还是线虫上工作。”

美国国家科学基金会的项目主管Theodore Morgan说:“这项研究对我们理解复杂性状的基因控制是一个突破，不仅是在蝴蝶身上。这项研究不仅表明了蝴蝶颜色模式的指令在进化史上是如何被高度保守的，而且还揭示了调控DNA片段如何积极和消极地影响颜色和形状等特征的新证据。”

参考文献: