PNAS挑战了长期以来关于遗传调控的假设：基因组暗物质解开了蝴蝶进化之谜

一个国际研究小组发现了影响蝴蝶翅膀上充满活力和复杂图案的令人惊讶的遗传机制。在《美国国家科学院院刊》上发表的一项研究中，由乔治华盛顿大学和剑桥大学的卢卡·利弗拉吉领导的研究小组发现，在决定蝴蝶翅膀上黑色色素的分布方面起关键作用的是RNA分子，而不是之前认为的蛋白质。

几个世纪以来，生物学家一直着迷于蝴蝶如何在翅膀上产生鲜艳的图案和颜色。发育中的蝴蝶翅膀细胞中包含的遗传密码决定了翅膀鳞片上颜色的具体排列——形成翅膀图案的微观瓦片——类似于形成数字图像的彩色像素的排列。破解这个密码对于理解我们自己的基因如何构建我们的身体结构至关重要。在实验室里，研究人员可以用基因编辑工具操纵蝴蝶的编码，并观察其对翅膀颜色等可见特征的影响。

科学家们早就知道，蛋白质编码基因对这些过程至关重要。这些类型的基因产生的蛋白质可以决定特定的鳞片何时何地产生特定的色素。当涉及到黑色色素时，研究人员认为这个过程不会有什么不同，并最初暗示了蛋白质编码基因。然而，新的研究描绘了一幅不同的画面。

研究小组发现一种产生RNA分子的基因——而不是蛋白质——控制着蝴蝶蜕变过程中黑色色素的产生。利用基因组编辑技术CRISPR，研究人员证明，当你去除产生RNA分子的基因时，蝴蝶完全失去了黑色色素鳞片，这表明RNA活性与深色色素发育之间存在明确的联系。

“我们的发现令人震惊，这种RNA分子直接影响了黑色色素在翅膀上的出现，以一种我们没有预料到的方式塑造了蝴蝶的颜色模式。”

研究人员进一步探索了RNA分子在翅膀发育过程中的作用。通过检查其活性，他们观察到RNA的表达位置和黑色鳞片的形成位置之间存在完美的相关性。

乔治华盛顿大学生物学副教授阿诺·马丁说:“我们很惊讶，这种基因在黑色鳞片最终在翅膀上发育的地方被开启，而且非常精确。”“从这个意义上说，它确实是一个进化的画笔，而且是一个创造性的画笔，从它对几个物种的影响来看。”

研究人员检查了其他几种蝴蝶中新发现的RNA，这些蝴蝶的进化史大约在8000万年前分道扬镳。他们发现，在这些物种中，RNA已经进化到控制深色色素模式的新位置。

波多黎各大学(Río Piedras)生物学教授里卡多·帕帕(Riccardo Papa)说:“从几个物种的CRISPR突变体中获得的一致结果确实表明，这种RNA基因不是最近发明的，而是控制翅膀模式多样性的关键祖先机制。”

乔治华盛顿大学博士后、访问学者乔·汉利说:“我们和其他人现在已经在许多不同的蝴蝶物种中研究了这种遗传特征，值得注意的是，我们发现这种相同的RNA一次又一次地被使用，从长翼蝴蝶到帝王蝶和彩蝶。”“这显然是翅膀模式进化的关键基因。我想知道生物学家可能会因为没有关注基因组的暗物质而忽略了其他类似的现象。”

这些发现不仅挑战了长期以来关于遗传调控的假设，而且为研究动物的可见特征如何进化开辟了新的途径。