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--是如何容纳一个保存了数千万至数亿年的基本计划的，同时又允许翅膀模式极快地进化。"蝴蝶翅膀图案基本计划的深层顺式调控同源性"作为封面故事发表在10月21日的《科学》杂志上。

该研究支持这样的观点，即一个古老的颜色图案基础计划已经在蝴蝶基因组中编码，非编码调控DNA像开关一样工作，以打开一些图案并关闭其他图案。

海湾绒毛蝶--Agraulis vanillae。资料来源：Anyi Mazo-Vargas

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"我们很想知道同一个基因是如何构建这些看起来非常不同的蝴蝶的，"该研究的第一作者、高级作者罗伯特-里德实验室的前研究生、农业和生命科学学院的生态学和进化生物学教授Anyi Mazo-Vargas，20岁博士说。Mazo-Vargas目前是乔治华盛顿大学的博士后研究员。

"我们看到有一组非常保守的开关[非编码DNA]在不同的位置工作，并被激活和驱动基因，"Mazo-Vargas说。

里德实验室以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虹彩。当研究人员禁用Optix基因时，翅膀出现黑色，而当WntA基因被删除时，条纹图案消失了。

海湾绒毛蝶（Agraulis vanilla）翅膀的图案细节，其改变是通过使用基因编辑工具CRISPR/cas9修改非编码DNA序列造成的。资料来源：Anyi Mazo-Vargas

这项研究的重点是非编码DNA对WntA基因的影响。具体来说，研究人员在五种蛱蝶中进行了46个这些非编码元素的实验，蛱蝶是蝴蝶中最大的家族。

为了让这些非编码调控元素控制基因，紧密缠绕的DNA线圈会解开，这是一个调控元素与基因互动的标志，以激活它，或者在某些情况下，关闭它。

一只帝王蝶（Danaus plexippus）突变体，它是使用基因编辑工具CRISPR/cas9删除一个非编码的DNA序列，也被称为"垃圾DNA"，它调节着一个控制翅膀形态的基因。资料来源：Anyi Mazo-Vargas

在这项研究中，研究人员使用了一种叫做ATAC-seq的技术来确定基因组中正在发生这种解开的区域。Mazo-Vargas比较了来自五种蝴蝶翅膀的ATAC-seq图谱，以确定参与翼型发育的遗传区域。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。

然后，Mazo-Vargas及其同事采用CRISPR-Cas基因编辑技术，一次禁用46个调控元素，以观察这些非编码DNA序列被破坏后对翅膀形态的影响。当删除时，每个非编码元素都改变了蝴蝶翅膀模式的一个方面。

研究人员发现，在四个物种中--Junonia coenia (buckeye)、Vanessa cardui (painted lady)、Heliconius himera和Agraulis vanillae (gulf fritillary)--这些非编码元素的功能与WntA基因相似，证明它们是古老和保守的，可能起源于一个遥远的共同祖先。

他们还发现，D. plexippus使用与其他四个物种不同的调控元素来控制其WntA基因，也许是因为它在历史上失去了一些遗传信息，不得不重新发明自己的调控系统来发展其独特的颜色模式。

"我们已经逐渐了解到，大多数进化是由于这些非编码区域的突变而发生的，"里德说。"我希望的是，这篇论文将成为一个案例，说明人们如何能够利用ATAC-seq和CRISPR的这种组合，开始在他们自己的研究系统中审问这些有趣的区域，无论他们是在鸟类、苍蝇还是蠕虫上工作。"

"这项研究对于我们理解复杂性状的遗传控制是一个突破，而且不仅仅是在蝴蝶群体当中，"国家科学基金会的一位项目主任Theodore Morgan说。"这项研究不仅显示了蝴蝶颜色模式的指令是如何在进化史上深度保守的，而且还揭示了调节性DNA片段如何积极和消极地影响诸如颜色和形状等性状的新证据。"

标签： 科学探索 基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代垃圾DNA的秘