科学探索|基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代＂垃圾＂DNA的秘密基因编辑的蝴蝶突变体揭示了

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。

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

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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。
【科学探索|基因编辑的蝴蝶突变体揭示了古代"垃圾"DNA的秘密】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。

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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。"