蝴蝶眼点纹重用了设计天线、腿和翅膀的基因网络
一种丝滑的猫头鹰 (Taenaris catopsv) 蝴蝶，翅膀上有独特的眼斑。来源：克里斯托夫 Zyskowski 和 Yulia Bereshpolova
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研究结果强调，新的复杂特征，如眼斑，是从已经在体内形成预先存在的复杂特征的基因网络演变而来的。
眼斑是在许多蝴蝶物种的翅膀上发现的对比色圆形标记，被这些飞舞的生物用来恐吓或分散捕食者的注意力。由新加坡国立大学 (NUS) 的 Antónia Monteiro 教授领导的一组科学家进行了一项研究，以更好地了解这些眼斑的进化起源，他们发现眼斑似乎来自于一个复杂的基因网络。它已经在蝴蝶的身体里运作，用来制造触角、腿，甚至翅膀。
“这项新研究探讨了新的复杂特征是如何起源的。这些复杂的特征需要输入许多相互作用的基因才能发育，并且通常由脊椎动物的眼睛或细菌鞭毛来说明。在我们的研究中，我们研究了蝴蝶眼斑——一个复杂特征的例子——是如何产生的，并得出结论，蝴蝶采用网络招募方法来产生眼斑。我们还确定了可能被招募的特定基因网络，”来自新加坡国立大学生物科学系的蒙泰罗教授说。
该研究结果于2022 年 2 月 16 日首次发表在美国国家科学院院刊上。
生物是如何形成的奥秘
可以通过想象一个包含数千行代码的复杂计算机程序来理解基因网络招募，每行代码代表一个简单的指令或功能。在代码中是文本块，位于比边缘更靠内一点的位置，代表子程序。这些子例程或执行特定任务的指令集在代码中编写一次，但在程序运行时会重复引用。为此，必须为每个子例程指定一个唯一名称，并在后续代码中引用。一段复杂的代码通常包含许多子例程，其中每个唯一的子例程只完整编写一次。
珍珠蝴蝶森林之母 (Protogoniomorpha parhassus) 的眼斑特写。来源：艾米莉·迪翁，新加坡国立大学
相同的子程序逻辑似乎适用于发育过程如何编码在生物体的DNA中。在这种情况下，子程序称为基因调控网络。基因调控网络是一条指令链，涉及时间序列中几个基因的转录或沉默。有机体是通过在发育过程中以精确的顺序部署许多这样的基因调控网络而构建的。新加坡国立大学团队的新研究发现，蝴蝶翅膀上眼点的发育依赖于预先存在的基因调控网络的部署，该网络已经被用于构建这些蝴蝶的触角、腿和翅膀。
以前曾假设存在这些子程序，主要是因为不断发现相同的基因表达并与新特征的发展相关。然而，尚不清楚这些基因在新性状中的表达是否代表新的基因组代码行，每个代码行都需要表达一个预先存在的基因，或者预先存在的代码行被再次读取，类似于子程序在计算机程序中。
发现基因网络招募在新特征中的作用
为了弄清楚这一点，新加坡国立大学博士后研究员 Heidi Connahs 博士和博士生 Suriya Murugesan 先生删除了基因组中独特的 DNA 调控序列，但没有删除基因本身，并表明多个性状受到这些突变的影响。这主张一个单一的基因调控网络，或子程序，是所有性状发展的基础。被靶向的两条 DNA 是基因Distal-less和spalt旁边的调节开关。当这些大约 390-700 个碱基对的区域被破坏时，眼点、触角、腿和翅膀的发育都被破坏了。“观察到这些重要的复杂性状如何受到相同的 DNA 变化的影响，真是令人惊讶，”康纳斯博士说。
Murugesan 先生还对在翅膀上形成眼斑的组织进行了测序，并将完整的表达基因组与其他特征中表达的基因进行了比较。“眼点与触角共享最接近的基因表达谱，但与腿或其他机翼组织（例如翼缘）不共享，”Murugesan 先生说。NUS 博士后研究员 Yuji Matusoka 博士随后检查了在眼斑和触角中表达的三个基因，并表明它们之间的调节联系是相同的，其中一个基因对调节另外两个基因很重要。“当我在眼斑区域发现一块没有第一个基因表达的细胞时，我意识到其他两个基因的表达也缺失了，”松冈博士说。
“这些实验依赖于发现在胚胎注射后准确击中眼点中央细胞的突变，这需要很大的耐心，”蒙泰罗教授说。
总体而言，该研究强调了新的复杂性状的进化，例如蝴蝶眼斑，是通过遗传密码中的突变进行的，这些突变回忆起基因组中已经存在的子程序，该子程序已经用于其他复杂性状，例如触角和其他肢体。产生这些预先存在的基因网络重新部署的突变类型仍有待发现，但预计它们是普通突变，偶然会导致召回涉及数百个预先存在的大型基因组子程序基因。
这项研究的下一步是进一步测试来自没有眼斑的蝴蝶物种的这两个基因的相应调控序列是否能够激活有眼斑物种的眼斑区域的基因表达。“这将是锦上添花，”蒙泰罗教授说，“因为它进一步证实了来自旧子程序的基因序列将被召回到具有召回突变的物种体内的新位置。”
参考资料：
“蝴蝶眼斑是通过祖先基因调控网络进化而来的，该网络也形成触角、腿和翅膀的图案”，作者：Suriya Narayanan Murugesan、Heidi Connahs、Yuji Matsuoka、Mainak Das Gupta、Galen JL Tiong、Manizah Huq、V. Gowri , Sarah Monroe, Kevin D. Deem, Thomas Werner, Yoshinori Tomoyasu 和 Antónia Monteiro，2022 年 2 月 15 日，美国国家科学院院刊。
DOI: 10.1073/pnas.2108661119