《Science》推翻先前假设，重新定义蝴蝶和飞蛾翅膀颜色进化之谜

蝴蝶和飞蛾翅膀颜色的变化，长期以来被认为是由皮层基因决定的，实际上是受控制的……

　　

长期以来，人们普遍认为蝴蝶和飞蛾翅膀颜色的变化是由皮质基因决定的。然而，最新的研究发现，实际上是由一种微RNA（miRNA）控制的，具体来说，是mir-193这种miRNA抑制了色素沉着基因。这一发现在全球范围内不同物种中都是保守的，从而强调了非编码RNA在表型多样性中的关键作用。

蝴蝶和飞蛾（鳞翅目）的翅膀颜色和图案多样，许多物种的翅膀颜色因黑色素的存在或缺失而呈现黑白或深浅不同的变化。这些变异通常是自然选择和进化的经典案例。著名的例子包括英国胡椒蛾（Biston betularia）黑色形态的迅速出现，它适应了19世纪后期工业化时期英国煤烟污染的黑暗环境，以及Heliconius蝴蝶的模仿多样性。

尽管驱动黑色素翅膀模式进化的生态因素通常被很好地理解，但这些颜色变化背后的遗传和发育机制仍然不太清楚。

科学家们在过去二十年的研究发现，大多数黑色翅膀的颜色变异是由“皮质”基因周围的单个基因组区域控制的。因此，人们曾假设皮质基因是控制黑色的开关。然而，由新加坡国立大学（NUS）生物科学系的Antónia MONTEIRO教授和Shen TIAN博士领导的国际研究小组发现，皮质基因并不影响黑色素的颜色。相反，一种之前被忽略的miRNA——miR-193，才是真正的颜色开关。

研究结果发表在2024年12月5日的《Science》杂志上。

这项研究的主要作者Shen Tian博士表示：“之前的研究对皮质基因是否真的是黑色颜色开关产生了怀疑，这激发了我测试这个基因组区域中其他一些基因组特征的功能——特别是miRNAs。”Shen Tian博士曾在新加坡国立大学Monteiro教授的实验室担任博士/博士后研究员，现在是美国杜克大学的博士后研究员。

Shen Tian博士补充道：“miRNA很小，这些核糖核酸分子不像大多数基因那样编码蛋白质，但它们通过抑制靶基因的表达在基因调控中发挥重要作用。”

在这项研究中，Shen Tian博士和他的同事们发现了一个位于皮质基因附近的miRNA——mir-193。该团队使用基因编辑工具CRISPR-Cas9在三个不同蝴蝶谱系中破坏了mir-193。mir-193的完全破坏消除了非洲眯眼灌木棕色蝴蝶（Bicyclus anynana）、印度卷心菜白蝴蝶（Pieris canidia）和常见的摩门教蝴蝶（Papilio polytes）的黑色和深色翅膀。相比之下，干扰来自同一基因组区域的皮质和其他三个蛋白质编码基因对翅膀颜色没有影响。这表明mir-193，而不是皮质或任何其他附近的基因，是这些鳞翅目中关键的黑色颜色调节因子。

研究小组进一步证实，mir-193是由一种长链非编码RNA加工而成，它通过直接抑制多种色素沉着基因发挥作用。由于mir-193的序列不仅在鳞翅目中，而且在整个动物界都是高度保守的，研究小组还测试了mir-193在果蝇中的作用。令人惊讶的是，mir-193也被发现控制这些果蝇的黑色颜色，这表明mir-193在鳞翅目之外的作用非常保守。

Antónia Monteiro教授说：“虽然以前的研究只关注皮质基因在产生黑色颜色变化中的作用，但这项工作颠覆了这个长期存在的假设，并证明了一种小的、非编码的RNA是开关，通过表达或不表达，导致自然界中黑色翅膀的各种颜色变化。这项研究表明，在基因型-表型关联研究中，不应忽视注释不良的非编码RNA，如miRNA，否则可能导致误导性的结论。”

Tian博士表示：“非编码RNA在表型多样化中的作用在很大程度上尚未得到充分研究。这项研究促进了对非编码RNA（如miRNA）如何促进生物表型多样化的进一步研究。”

参考文献：“A microRNA is the effector gene of a classic evolutionary hotspot,” by Shen Tian, Yoshimasa Asano, Tirtha Das Banerjee, Shinya Komata, Jocelyn Liang Qi Wee, Abigail Lamb, Yehan Wang, Suriya Narayanan Murugesan, Haruhiko Fujiwara, Kumiko Ui-Tei, Patricia J. Wittkopp, and Antónia Monteiro, December 5, 2024, Science. DOI: 10.1126/science.adp7899