一種之前被忽略的microRNA才是真正的顏色開關(guān)

鱗翅目動物（蝴蝶和飛蛾）的翅膀顏色圖案非常多樣化，許多物種的翅膀顏色圖案都是黑白的，或者是深色和明亮的，這與黑色素的存在和缺乏有關(guān)。許多翅膀顏色圖案的變異都是自然選擇和進(jìn)化的教科書范例。典型的例子包括英國胡椒蛾白樺（Biston betularia）的黑色形式的頻率迅速增加，這是由于19世紀(jì)末英國碳燃燒和工業(yè)化造成的更黑更黑的環(huán)境所導(dǎo)致的，還有Heliconius蝴蝶的模擬輻射，等等。

盡管這些鱗翅目動物的翅膀上有或沒有黑色素的生態(tài)驅(qū)動因素，但顏色變化的遺傳和發(fā)育基礎(chǔ)仍不清楚。

蝴蝶和飛蛾是如何把翅膀涂成黑色或白色的？

在過去的二十年里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)黑色翅膀的顏色變異是由蛋白質(zhì)編碼基因“皮層”周圍的單個基因組區(qū)域控制的。于是，人們假設(shè)cortex是黑色的開關(guān)。由新加坡國立大學(xué)（NUS）生物科學(xué)系A(chǔ)ntónia MONTEIRO教授和Shen TIAN博士領(lǐng)導(dǎo)的來自新加坡、日本和美國的國際研究小組發(fā)現(xiàn)，cortex并不影響黑色素的顏色。相反，一種之前被忽略的microRNA （miRNA）才是真正的顏色開關(guān)。

研究結(jié)果發(fā)表在2024年12月5日的《科學(xué)》雜志上。

這項研究的主要作者TIAN博士說：“以前研究的大量證據(jù)對大腦皮層是否真的是黑色顏色開關(guān)產(chǎn)生了懷疑，這激發(fā)了我去測試這個基因組區(qū)域中其他一些基因組特征的功能——miRNAs?！彼谛录悠聡⒋髮W(xué)Monteiro教授的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士/博士后研究員，現(xiàn)為美國杜克大學(xué)博士后研究員。

TIAN博士補(bǔ)充說：“mirna是一種小RNA分子，不像大多數(shù)基因那樣編碼蛋白質(zhì)，但它們通過抑制靶基因的表達(dá)在基因調(diào)控中發(fā)揮重要作用。”

在這項研究中，田博士和他的同事們發(fā)現(xiàn)了一個位于皮層附近的miRNA： mir-193。該團(tuán)隊使用基因編輯工具CRISPR-Cas9在三個深度分化的蝴蝶譜系中破壞了mir-193。mir-193的完全破壞消除了非洲瞇眼灌木棕色蝴蝶（cycloclus anynana）、印度卷心菜白蝴蝶（Pieris canidia）和常見的美農(nóng)蝴蝶（Papilio polytes）的黑色和深色翅膀。相比之下，破壞來自同一基因組區(qū)域的皮層和其他三個蛋白質(zhì)編碼基因?qū)τ鹨眍伾珱]有影響。這表明mir-193，而不是皮質(zhì)或任何其他附近的基因，是這些鱗翅目中關(guān)鍵的黑色顏色調(diào)節(jié)因子。

研究小組進(jìn)一步證實(shí)，mir-193是由一種長鏈非蛋白編碼RNA：ivory加工而成的，它通過直接抑制多種色素沉著基因發(fā)揮作用。由于mir-193的序列不僅在鱗翅目中，而且在整個動物界都是高度保守的，因此研究小組還測試了mir-193在果蠅中的作用。令人驚訝的是，mir-193也被發(fā)現(xiàn)控制這些果蠅的黑色著色，這表明mir-193在鱗翅目之外具有非常保守的作用。

“雖然以前的研究只關(guān)注皮層在產(chǎn)生黑色顏色變化中的作用，但這項工作顛覆了這一長期存在的假設(shè)，并證明了一種小的、非蛋白質(zhì)編碼的RNA是開關(guān)，通過表達(dá)或不表達(dá)，導(dǎo)致自然界中黑色翅膀的各種顏色變化。”

“這項研究表明，在基因型-表型關(guān)聯(lián)研究中，不應(yīng)該忽視注釋不良的非蛋白質(zhì)編碼RNA，如mirna，否則會導(dǎo)致誤導(dǎo)性的結(jié)論?！?/span>

Tian博士說：“非編碼rna在表型多樣化中的作用在很大程度上尚未得到充分研究。這項研究促進(jìn)了對非編碼rna（如mirna）如何促進(jìn)生物表型多樣化的進(jìn)一步研究?！?/span>

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