Een internationaal onderzoeksteam van het Smithsonian Tropical Research Institute in Panama heeft een enkel controlegen uitgeschakeld in het DNA van zeven verschillende vlindersoorten. In de september 18 Proceedings van de National Academy of Sciences vroege online editie, ze onthullen de verrassende resultaten van het opnieuw bedraden van het WntA-gen:een enkel gen beïnvloedt de uitbundige diversiteit van vlindervleugelpatronen in de natuur.

"Vlindervleugelpatronen zijn geweldig", zei Owen McMillan, stafwetenschapper bij STRI en co-auteur, "een echte evolutionaire nieuwigheid, zeer divers en sterk gevormd door natuurlijke en seksuele selectie. Door individuen van verschillende soorten genetisch te manipuleren, we krijgen snel grip op hoe deze diversiteit wordt gegenereerd. Verrassend genoeg, een enkel gen, en een die herhaaldelijk wordt gebruikt tijdens de ontwikkeling, kan enorme effecten hebben. "Het WntA-eiwit is een zeer geconserveerd signaalmolecuul. Het WntA-gen maakt deel uit van een kleine familie van genen die de lichaamsplannen en andere patronen tijdens de ontwikkeling van insecten beïnvloeden. Het codeert voor een uitgescheiden eiwitmolecuul dat lijkt te werken als een diffundeerbaar signaal, een zogenaamd morfogeen, die de posities van gespecialiseerde celtypen in een weefsel vaststelt. De term morfogeen is bedacht door Alan Turing, de vader van theoretische informatica en kunstmatige intelligentie die geïnteresseerd was in de chemische basis van morfogenese.

"Stel je een schilderij op nummer voor van een vlinder, " Zei McMillan. "De instructies voor het kleuren van de vleugel zijn geschreven in de genetische code. Door enkele instructies te verwijderen, we kunnen afleiden welk deel zegt 'verf de nummer twee's rood' of 'verf de nummer één's zwart. Natuurlijk, het is een stuk ingewikkelder dan dit, want wat er feitelijk verandert, zijn netwerken van genen die een trapsgewijze effect hebben op patroon en kleur."

"Werken in het nieuwe laboratorium van het Smithsonian in Gamboa, Panama, we injecteerden vlindereieren met een RNA-sonde die vastzat aan een deel van de genetische code, een gen genaamd WntA, waarvan we vermoedden dat ze een rol speelden bij de expressie van kleur, " zei Carolina Concha, Biogenomics Postdoctoraal onderzoeker bij STRI. "Na het uitschakelen van het gen, we lieten de vlinders opgroeien en vergeleken de vleugelpatronen van de knock-outmutanten met de originele vleugelpatronen, " zei Richard Wallbank, een postdoctoraal onderzoeker van STRI en Cambridge.

Dezelfde procedure herhalen bij zeven verschillende vlindersoorten en de resultaten vergelijken, het team ontdekte onverwachte manieren waarop het WntA-gen het vleugelpatroon beïnvloedt.

"Om terug te gaan naar de analogie van schilderen op nummer, 'Nummer één' kan bij verschillende vlindersoorten rond de vleugel bewegen, en zelfs in verschillende kleurpatroonvarianten van dezelfde soort. bij vorsten, bijvoorbeeld, het gen wordt met fijne precisie uitgedrukt langs de vleugeladers. In tegenstelling tot, in Heliconius, een groep die bekend staat om levendige vleugelpatronen, het gen wordt uitgedrukt in vette penseelstreken van in wezen de punt tot de basis van de vleugel. En het wordt nog gekker, omdat de kleur van 'Nummer één' kan veranderen afhankelijk van de context, verschuiven tussen verschillende gekleurde pigmenten en zelfs veranderen hoe licht wordt gereflecteerd. bij vlinders, kleur is een functie van zowel pigment als de structurele eigenschappen van de schubbencellen die de vleugel bedekken, ' zei McMillan.

WntA was een van de vroege genen waarvan werd ontdekt dat ze betrokken waren bij het vormen van patronen in Heliconius door Arnaud Martin, when working as a STRI Short-term Fellow during his Ph.D. research. The team can predict how many different genes this one regulatory gene controls based on the number of potential regions along the gene that it can bind to. This is much less costly to the organism than having to create different proteins for each job.

"The butterflies and moths, the Lepidoptera, are the third largest group of organisms known on the planet, " said Martin, now Assistant Professor of Biology at George Washington University and corresponding author of the study. "Once we identified the sets of genes regulated by a gene like WntA, we can look at the sequence of different butterflies in the family tree to see when and where these changes took place during the 60 million years of butterfly evolution."