Science: 蝴蝶翅膀图案的顺式调控研究
蝴蝶翅膀的图案来源于一个高度保守的发展平面图，但其多样性和进化速度很快。目前尚不清楚基因调控结构如何适应深层同源性和适应性变化。为了解决这个问题，来自Science的一项新研究描述了蝴蝶中颜色模式基因WntA的顺式调控进化。使用ATAC-seq和in vivo deletions（跨越5个物种的46个顺式调控元件）分析显示，除帝王蝶外，基本平面决定序列具有高度同源性。此外，非编码缺失显示了积极和消极的调节效应，这些效应通常具有广泛的性质。本研究结果为预测快速增强子周转的模型提供了很少的支持，并表明深层祖先的、多功能的非编码元素可以作为快速进化的性状系统的基础。
Figure 1 WntA调控区的染色质景观高度保守
要点
生物形态模式和结构的发展是不同细胞和组织中转录因子和表观遗传调控的结果。转录因子是一种在被称为顺式调节元件（CRE）的位点与DNA结合的蛋白质，可以开启或关闭基因表达。对基因表达的地点、时间和程度的微调调节也通过表观遗传过程来维持，例如通过调节CRE对转录因子的可及性。在进化时间尺度上，CRE的变异可能会改变邻近基因的表达，从而改变生物体的表型。研究者分析了基因WntA的调控元件的进化，该基因与蝴蝶的翅膀图案形成有关。他们的结果说明了基因调控元件是如何长期保存的，但有时很快就会发生适应性变化。
蝴蝶翅膀图案为研究进化变化背后的发育和遗传规律提供了一个突出的模型。这是因为少数主基因（如WntA）基因表达的轻微变化会影响其他几个基因的表达，这些基因可以直接观察到翅膀颜色和图案的变化。在包括6,000多个物种的蛱蝶科中，不同物种的模式偏离了理想化的蛱蝶平面模式。这种理想化的图案由排列在机翼上的多个平行行中的颜色元素组成，称为对称系统。对于蛱蝶科的蝴蝶来说，WntA基因调节这些对称系统的某些元素，特别是不典型模式的Heliconius属中的黑色，它不显示对称系统的任何典型元素。由于WntA蛋白编码区的序列非常相似，即使在具有不同翅型的蛱蝶科物种中也是如此，因此推测非编码CRE在翅型的变异中起着关键作用。
Figure 2 在体内，WntA CREs的镶嵌缺失揭示了进化保守的翅型发育功能
研究者使用比较序列分析和ATAC-seq。结合两种分析方法的数据，作者确定了可能控制五种不同蛱蝶科物种中WntA表达的CRE。许多候选CRE位于WntA基因的上游和第一内含子中。作者发现，其中一些候选者在若虫蝴蝶中表现出序列相似性，这意味着这些候选者存在于它们最后的共同祖先中，而其他候选者最近才进化。基因编辑技术有助于理解基因在翅膀模式中的功能。例如，在WntA失活后，可以观察到颜色和图案元素的变化，这表明该基因参与了翅膀图案的发育。研究者没有使基因本身失活，而是使用CRISPR-Cas9将控制基因的调控元件失活，从基因组中切下一小段DNA。然后可以研究这种缺失对蝴蝶表型的影响。在涵盖蛱蝶科多样性的五种蝴蝶物种中产生了大约46个WntA相关CRE的缺失。类似的CRISPR-Cas9方法曾在蝴蝶研究中使用过，但仅在较小的分类学规模上使用过，例如，用于研究蝴蝶的翅膀模式——调节主基因optix及其调节元件，这些蝴蝶也是夜蛾科的成员。Heliconius属成员的高度发散的翅膀图案没有显示出在其他Nymphalidae中发现的对称系统的典型元素，并被认为是从若虫的平面图案衍生出来的，或者是独立起源的。如果前者是真的，人们会期望在Heliconius物种中发现与其他Nymphalidae物种相同的CRE参与翅膀模式的形成。如果后者是真的，那么在其他蛱蝶科物种中就不会发现与Heliconius模式形成有关的CRE。作者证实，这两种解释都是部分正确的，保守的和最近进化的CRE在翼型形成中起作用。在Heliconius himera物种中，五个选择的高度保守的CRE中的每一个的失活对黑色有广泛的影响。这表明，尽管Heliconius的颜色图案看起来与其他蛱蝶科物种的颜色图案非常不同，但它们与那些显示蛱蝶平面图案的蝴蝶具有相同的调控元件。此外，对Heliconius蝴蝶特异的CRE失活导致了相似的表型，这表明最近进化的元件与较老的、保守的CRE一起在翅膀模式形成中发挥了作用。
Figure 3 正、负调控活性是色彩模式调控的一个特征
本研究的结果表明： 尽管基因周围的调控环境可能在很长一段时间内保持稳定，但CRE的丢失或增加可能会突然导致进化变化。操纵CRE和观察表型变化的方法为研究发育生物学中的其他基因调控问题提供了可能性，例如与理解无脊椎动物和脊椎动物body plan相关的问题。
文献来源：1.Deep cis-regulatory homology of the butterfly wing pattern ground plan，Science，2022
