研究发现蝴蝶眼斑重新利用了使触角、腿和翅膀成形的基因网络

眼斑是许多蝴蝶物种翅膀上发现的颜色对比强烈的圆形标记，这些翩翩起舞的生物会利用它们来恐吓或分散捕食者的注意力。由新加坡国立大学(NUS)的Antónia Monteiro教授领导的科学家团队进行了一项研究以更好地了解这些眼斑的进化起源。

他们发现，眼斑似乎来自于一个复杂的基因网络的招募，该网络已经在蝴蝶的身体中运作，以此来建立触角、腿甚至翅膀。

“这项新研究解决了新的复杂性状如何起源的问题。这些复杂性状的发展需要许多相互作用的基因的输入并经常以脊椎动物的眼睛或细菌的鞭毛来说明。在我们的研究中，我们研究了蝴蝶的眼斑--一个复杂性状的例子--是如何产生的，并得出结论：蝴蝶在创造眼斑时采用了网络招募的方法。我们还确定了可能被招募的特定基因网络，”来自NUS生物科学系的Monteiro教授说道。

这些发现首次发表在2022年2月16日的《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》上。

生物体如何构建的奥秘

理解基因网络招募可以通过想象一个复杂的计算机程序来进行。据悉，该程序拥有成千上万行代码，每一行都代表一个简单的指令或功能。在代码中，有一些文本块，从边缘向内一点的位置，代表子程序。这些子程序或执行特定任务的指令集在代码中只写一次，但在程序运行过程中会反复引用。为了做到这一点，每个子程序都必须被赋予一个独特的名称并在随后的代码中被提及。一段复杂的代码往往包含许多子程序，其中每个独特的子程序只被完整地写了一次。

同样的子程序逻辑似乎也适用于发展过程如何在生物体的DNA中进行编码。在这种情况下，该子程序被称为基因调控网络。基因调控网络是一连串的指令，涉及到几个基因按时间顺序的转录或沉默。生物体在发育过程中通过部署许多这样的基因调控网络来以精确的顺序来构建。NUS团队的新研究发现，蝴蝶翅膀上眼斑的发育依赖于一个预先存在的基因调控网络的部署，该网络已经被用于构建这些蝴蝶的触角、腿和翅膀。

据了解,这些子程序的存在以前就曾被假设过，主要是因为同样的基因不断被发现表达并与新性状的发展相关。然而目前还不清楚这些基因在新性状中的表达是代表新的基因组代码行。

发现基因网络招募在新型性状中的作用

为了弄清这一点，NUS博士后Heidi Connahs博士和博士生Suriya Murugesan先生删除了基因组中独特的DNA调控序列，但没有删除基因本身，另外还表明多种性状受到这些突变的影响。这证明了一个单一的基因调控网络或子程序是所有性状发展的基础。被瞄准的两块DNA是紧挨着基因Distal-less和spalt的调节开关。当这些约390-700个碱基对的区域被破坏时，眼点、触角、腿和翅膀的发育都被破坏了。“观察这些重要的复杂性状是如何被DNA中的相同变化所影响的，这非常令人惊讶，”Connahs说道。

Murugesan先生还对翅膀上形成眼斑的组织碎片进行了测序并将整套表达的基因跟其他性状中表达的基因进行了比较。Murugesan表示：“眼斑跟触角共享最接近的基因表达谱，但跟腿或其他翅膀组织如翅膀边缘却不一样。”NUS博士后Yuji Matusoka博士随后检查了在眼斑和触角中表达的三个基因，他们发现它们之间的调节联系是相同的--一个基因对调节另外两个基因很重要。

Monteiro教授说道：“这些实验依赖于发现突变，这些突变在胚胎注射后正好击中了眼斑中心细胞，这需要很大的耐心。”

总的来说，该研究强调了新复杂特征的进化如蝴蝶的眼斑是通过遗传密码的突变进行的，这些突变回顾了基因组中预先存在的子程序，该程序已经用于其他复杂特征如触角和其他肢体。产生这些预先存在的基因网络的重新部署的突变类型仍有待发现，但预测它们是普通的突变，在偶然的情况下，导致召回预先存在的涉及数百个基因的大型基因组子程序。

据悉，研究人员接下来将进一步测试来自没有眼斑的蝴蝶物种的这两个基因的相应调控序列是否能激活有眼窝的物种中眼窝区域的基因表达。“这将是锦上添花，”Monteiro教授说道，“因为它进一步证实了一个旧的子程序的基因序列将被召回到具有召回突变的物种体内的那个新地方。”