Los patrones de las alas de las mariposas emergen de la antigüedad "basura" ADN

Los patrones de las alas de las mariposas tienen un plan básico, que es manipulado por el ADN regulador no codificante para crear la diversidad de alas que se ven en diferentes especies, según una nueva investigación.

El estudio, «Homologación cis-regulatoria profunda del plano básico del patrón de ala de mariposa», publicado como artículo de portada en la edición del 21 de octubre de Cienciasexplica cómo el ADN que se encuentra entre los genes, llamado ADN «basura» o ADN regulador no codificante, se adapta a un plan básico conservado durante decenas a cientos de millones de años y, al mismo tiempo, permite que los patrones de las alas evolucionen extremadamente rápido.

La investigación respalda la idea de que un patrón de color antiguo ya está codificado en el genoma y que el ADN regulador no codificante funciona como interruptores para activar algunos patrones y rechazar otros.

«Estamos interesados ​​en saber cómo el mismo gen puede generar estas mariposas de aspecto tan diferente», dijo Anyi Mazo-Vargas, Ph.D. ’20, el primer autor del estudio y ex estudiante graduado en el laboratorio del autor principal, Robert Reed, profesor de ecología y biología evolutiva en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida. Mazo-Vargas es actualmente investigadora postdoctoral en la Universidad George Washington.

«Vemos que hay un grupo muy conservado de interruptores [non-coding DNA] que están trabajando en diferentes posiciones y están activados e impulsando el gen», dijo Mazo-Vargas.

El trabajo anterior en el laboratorio de Reed ha descubierto genes clave de patrones de color: uno (WntA) que controla las rayas y otro (Optix) que controla el color y la iridiscencia en las alas de las mariposas. Cuando los investigadores desactivaron el gen Optix, las alas aparecieron negras, y cuando se eliminó el gen WntA, los patrones de rayas desaparecieron.

Este estudio se centró en el efecto del ADN no codificante en el gen WntA. Específicamente, los investigadores realizaron experimentos con 46 de estos elementos no codificantes en cinco especies de mariposas ninfálidas, que es la familia más grande de mariposas.

Para que estos elementos reguladores no codificantes controlen los genes, las bobinas de ADN estrechamente enrolladas se desenrollan, una señal de que un elemento regulador está interactuando con un gen para activarlo o, en algunos casos, apagarlo.

En el estudio, los investigadores utilizaron una tecnología llamada ATAC-seq para identificar las regiones del genoma donde se produce este desmoronamiento. Mazo-Vargas comparó los perfiles ATAC-seq de las alas de cinco especies de mariposas para identificar las regiones genéticas involucradas en el desarrollo del patrón de las alas. Se sorprendieron al descubrir que una gran cantidad de regiones reguladoras se compartían entre especies de mariposas muy diferentes.

Mazo-Vargas y sus colegas luego emplearon la tecnología de edición de genes CRISPR-Cas para deshabilitar 46 elementos reguladores uno a la vez, para ver los efectos en los patrones de las alas cuando se rompía cada una de estas secuencias de ADN no codificantes. Cuando se eliminó, cada elemento no codificante cambió un aspecto de los patrones de las alas de las mariposas.

Los investigadores encontraron que en cuatro de las especies, Junonia coenia (castaño de castaño), Vanessa cardui (dama pintada), Heliconius himera y Agraulis vanillae (fritillary del golfo), cada uno de estos elementos no codificantes tenía funciones similares con respecto al gen WntA, demostrando que eran antiguos y conservados, probablemente originados en un ancestro común lejano.

También encontraron que D. plexippus (monarca) usó diferentes elementos reguladores de las otras cuatro especies para controlar su gen WntA, quizás porque perdió parte de su información genética a lo largo de su historia y tuvo que reinventar su propio sistema regulador para desarrollar su color único. patrones.

«Progresivamente hemos llegado a comprender que la mayor parte de la evolución ocurre debido a mutaciones en estas regiones no codificantes», dijo Reed. «Lo que espero es que este documento sea un estudio de caso que muestre cómo las personas pueden usar esta combinación de ATAC-seq y CRISPR para comenzar a interrogar estas regiones interesantes en sus propios sistemas de estudio, ya sea que trabajen con pájaros, moscas o gusanos. »