Obr. 1. Nádherné vzory na křídlech motýlů jsou tvořeny jednotlivými šupinami, které se liší barvou, tvarem a strukturou. Barvu některých šupin určují pigmenty, jiné zase tenkovrstvá interference. Každá stupnice je jednobarevná a je tvořena jednou buňkou. Foto Linden Gledhill z notcot.com
Průmyslový melanismus můry březové je již dlouho součástí učebnic jako nápadný příklad evoluce v akci. Povaha mutace, která dala vzniknout černé (melanistické) formě můry březové, která se rozšířila v průmyslových oblastech kvůli tmavnutí kmenů stromů, však dosud nebyla známa. Britští genetici ukázali, že výskyt tmavých motýlů byl spojen s vložením transpozonu do genu kůraregulující buněčné dělení. Ve stejné době další skupina výzkumníků zjistila, že varianty (alely) tohoto genu korelují s různými okrasnými prvky u široké škály motýlů. Zřejmě gen kůra byl přitahován zbarvením křídel na úsvitu evoluce motýlů. Jak regulátor buněčného dělení řídí zbarvení křídel, zatím není jasné.
Černá uniforma carbonaria můra březová Biston betularia byl poprvé zaznamenán v Manchesteru v roce 1848. Následně se začala rychle šířit. Během průmyslové revoluce v Anglii způsobilo znečištění ovzduší prudký pokles počtu lišejníků na kmenech stromů. Proto motýli původního, lehkého tvaru (typica), neviditelné na pozadí světlých lišejníků, začaly přitahovat pozornost na tmavé holé kůře. Selektivní pojídání světle zbarvených motýlů ptáky vedlo k tomu, že četnost výskytu formy carbonaria v průmyslových oblastech Anglie vzrostl z 0 na 99 %. Triumf černých motýlů ale neměl dlouhého trvání: v 1960. a 1970. letech XNUMX. století začal boj se znečištěným ovzduším přinášet hmatatelné ovoce a lišejníky se postupně vracely na kmeny stromů. Četnost výskytu formuláře carbonaria začal klesat a nyní klesl na 5 %. Na pozadí industrializace proběhly podobné procesy u několika desítek druhů motýlů v různých zemích.
Průmyslový melanismus zavíječe březového je již dlouho součástí učebnic jako typický příklad adaptačních změn pod vlivem selekce ve změněných podmínkách prostředí. Toto je možná nejslavnější příklad pozorované evoluce. Zároveň kupodivu dosud nebyla identifikována konkrétní mutace, která způsobila zčernání motýlů. Teprve nedávno bylo možné kombinací klasických metod genetiky (tj. křížení a analýzy segregace znaků u potomstva) a moderních metod sekvenování a analýzy nukleotidových sekvencí identifikovat genomovou oblast o délce menší než 400 kb (kilobází). , tisíc párů bází), ve kterých se nachází požadovaná mutace. Tato oblast zahrnuje 13 genů kódujících protein a dva geny microRNA. Bylo také možné prokázat, že dominantní mutace, která se rozšířila v populacích zavíječe březového carbonaria vznikl jednou a velmi nedávno (AE van’t Hof et al., 2011. Průmyslový melanismus u britských můr pepřových má jedinečný a nedávný mutační původ). To samozřejmě neznamená, že jiné mutace vedoucí k melanismu nikdy nevznikly. To pouze znamená, že tento konkrétní případ průmyslového melanismu u tohoto druhu motýla byl spojen s rozšířením pouze jedné takové mutace, která vznikla nedávno.
Britští genetici, kteří získali tento výsledek, se tam nezastavili. Ve svém novém článku zveřejněném v posledním čísle časopisu Přírodahlásili úspěšné dešifrování molekulární povahy mutace carbonaria. K tomu jsme museli pečlivě sekvenovat zmíněný úsek genomu u 110 černých a 283 světlých jedinců Biston betularia.
Ukázalo se, že polymorfismy (rozdíly v nukleotidové sekvenci) korelující s barvou křídel jsou soustředěny pouze v jednom ze 13 genů, a to genu kůra. Takových polymorfismů bylo v rámci tohoto genu poměrně hodně, ale pouze jeden z nich se vyskytuje výhradně u černých motýlů (u 105 ze 110 jedinců) a nebyl nalezen u žádného světle zbarveného jedince. Je zřejmé, že tento polymorfismus je požadovaná mutace carbonaria, a všechny ostatní polymorfismy, které se častěji vyskytují u černých motýlů než u světlých, se šíří spolu s ní díky spojené dědičnosti (genetické stopování, viz Genetické stopování).
Povaha mutace carbonaria se ukázalo jako velmi zajímavé: není to nic jiného než velký (21 925 nukleotidů) mobilní prvek (transposon) integrovaný do prvního intronu genu kůra (obr. 2). Bylo tak získáno další jasné potvrzení schopnosti transpozonů produkovat užitečné dědičné změny (samozřejmě užitečnost a škodlivost mutací závisí na podmínkách a mutaci carbonaria byl užitečný pouze v podmínkách silného průmyslového znečištění).
Obr. 2. Struktura genu kůra v černých a světlých formách můry březové (nahoru) a fragment tohoto genu, do kterého je vložen transposon (níže). Číslované svislé tahy (1A, 1B, 2–9) označují exony. Černé svislé čáry na pozadí vodorovného šedého pruhu ukazují umístění polymorfismů, které korelují s černým zbarvením. Samotný transposon se skládá z úseku o velikosti 9 kb (tisíc párů bází) opakujícího se 2,3krát (RU – repeat unit). Charakteristickým „vzorcem“, podle kterého lze neomylně rozpoznat transposon DNA třídy II pohybující se metodou „vystřihni a vlož“, jsou invertované koncové repetice (TGTAAC. GTTACA, zvýrazněno červená), které jsou integrální funkční součástí transpozonu, a přímé repetice (CCTC. CCTC), které vznikají jako vedlejší produkt inzerce transpozonu do hostitelského genomu. Obrázek z diskutovaného článku AE van’t Hof et al. PROTI Příroda
Autoři ukázali, že inzerce transpozonu vedla ke zvýšené genové expresi kůra v té fázi vývoje larev, kdy dochází k nejintenzivnějšímu růstu křídelních primordií. Gen má dva alternativní startovací body transkripce (1A a 1B na obr. 2), proto jsou na jeho základě syntetizovány dvě varianty (izoformy) proteinu. Jak se ukázalo, vložený transposon zvyšuje expresi pouze jedné ze dvou izoforem, té hojnější (1B).
Analýza distribuce polymorfismů v blízkosti klíčové mutace potvrdila, že jde o mutaci carbonaria vznikl nedávno (s největší pravděpodobností v první polovině 19. století) a rychle se rozšířil pod vlivem selekce. Ačkoli éra špinavého vzduchu, který poskytoval černým motýlům výhodu, netrvala dlouho, jejich krátký triumf zanechal charakteristické stopy v jejich genomech (viz Selektivní zametání). Čím blíže k místu inzerce transpozonu, tím častěji uvnitř genu kůra černí motýli mají přesně definované polymorfismy – stejné, jaké měl šťastný první majitel mutace carbonaria a pak se rozšířila prostřednictvím genetického stopování.
Ohledně těch pěti černých motýlů, kteří nemají transposon v intronu genu kůra, pak se zřejmě jedná o nositele alternativních alel stejného genu, které obvykle poskytují barevnou variantu insularia, mezilehlý mezi typica и carbonaria. Dříve bylo známo, že alely insularia příležitostně dávají vzniknout velmi tmavým fenotypům, téměř k nerozeznání od carbonaria.
Ve stejném čísle Příroda byl publikován článek jiného, většího mezinárodního výzkumného týmu, který ukázal vedoucí roli genu kůra v evoluci barvy křídel u řady dalších motýlů (obr. 3). Tato studie se zaměřila na tropické motýly rodu Heliconius, ve kterém je rozšířená mimika a barva křídel je extrémně různorodá (viz Počáteční fáze speciace u tropických motýlů byla zaznamenána, „Elements“, 09.11.2009. XNUMX. XNUMX).
Obr. 3. Stejná oblast genomu poskytuje barevné variace u různých motýlů. Vpravo – schéma chromozomu, na kterém rozdílné barvy jsou označeny homologní oblasti a šedá fragment obsahující gen je izolován kůra, změny, které ovlivňují barvu křídel. U Heliconius erato tento lokus kontroluje přítomnost nebo nepřítomnost žlutého pruhu na zadních křídlech, v H. melpomene – žluté pruhy na obou párech křídel, H. numata – černé, žluté a oranžové prvky vzoru, které poskytují podobnost s motýly rodu Melinaea (příklad mimikry). Obrázek z diskutovaného článku NJ Nadeau et al. PROTI Příroda
Ukázalo se, že u různých druhů Heliconius nejrozmanitější prvky výzdoby křídel – černé, žluté, oranžové skvrny a pruhy – korelují s polymorfismy v gen. kůra (obr. 3). Typicky jsou klíčové polymorfismy umístěny v nekódujících oblastech genu, včetně intronů. To znamená, že evoluční změny ve vzorcích křídel byly spojeny se změnami v genové regulaci kůraa ne struktura proteinu, který kóduje. V některých případech se zdá, že polymorfismy spojené se zbarvením křídel ovlivňují alternativní sestřih, ke kterému dochází. kůraa změnit úroveň exprese a poměr izoforem v křídelních primordiích.
Gen kůra nepatří mezi geny, které by mohly být podezřelé z podílu na zbarvení křídel. Je součástí rodiny genů, které regulují buněčné dělení. Geny v této rodině aktivují anafázový stimulační komplex, který podporuje separaci sesterských chromozomů během buněčného dělení. Drosophila má gen kůra se podílí na regulaci meiózy ve vaječnících ženy a nemá nic společného s barvou křídel. Autoři druhého článku ověřili, co by se stalo, kdyby gen kůra Motýlek Heliconius melpomene nuceni pracovat v křídelních primordiích Drosophila – a to nevedlo k žádnému viditelnému efektu.
Zřejmě gen kůra, původně nesouvisející se zbarvením, byl přiveden k práci na zdobení křídel asi před 100 miliony let, na úsvitu evoluce motýlů, a od té doby byl opakovaně vystaven intenzivnímu výběru v různých evolučních liniích.
Postupně se tak ujasňuje genetický základ pro evoluci vzorů motýlích křídel. Již víme, že tvorba obrazců zahrnuje signální proteiny a regulátory transkripce, které obvykle (u jiných zvířat a dokonce i u stejných motýlů) plní zcela odlišné funkce. Čtenář najde fascinující popis těchto studií v kapitole 8 knihy Seana Carrolla „Nekonečný počet nejkrásnějších forem“. Například na červené skvrny na křídlech Heliconius genové odpovědi optix, nejdůležitější regulátor vývoje oka (viz Byl nalezen gen zodpovědný za vývoj barvy u motýlů, „Elements“, 31.08.2011. XNUMX. XNUMX). Ve středu budoucích jasných kulatých skvrn (očí), například u motýlů Jízdní kolo (viz: Muži a ženy mění role, když se mění počasí, „Elements“, 27.12.2012. prosince XNUMX), gen je vyjádřen distální-méně (dll), podílející se na tvorbě končetin – a vlastně jakýchkoliv tělesných procesů – u široké škály zvířat. Co má společného oko hmyzu a červená skvrna na křídle? Možná červený pigment, ale toto spojení je s největší pravděpodobností náhodné. Co mají společného oko na křídle a noha? Zde se spojení může ukázat jako významnější: oba se během vývoje nejprve jeví jako jakýsi kruh, „nakreslený“ na určitém místě ve vyvíjejícím se organismu expresí signálního proteinu, který je produkován v centru kruhu.
Gen kůra se liší od dříve nalezených genů pro zdobení motýlích křídel v tom, že nekóduje ani transkripční faktor, ani signální protein vylučovaný buňkami směrem ven pro mezibuněčnou komunikaci. Transkripční faktory a signální proteiny snadno získávají nové funkce: jsou to profesionální spínače a regulátory genů, kterým je jedno, které geny regulují. Ale kůra – specifický regulátor buněčného dělení, který u Drosophila slouží k procesu zrání vajíček. Jeho zapojení do barvení motýlích křídel otevírá některé nové aspekty evoluční vývojové biologie. Jak kůra vliv na barvu křídel je nejasný. Je však třeba mít na paměti, že vzor na křídlech motýlů tvoří šupiny, z nichž každá je tvořena z jediné buňky (obr. 1). Dynamika procesů dělení a migrace buněk, které jsou předurčeny stát se šupinami té či oné barvy v pozdním stádiu larvy a kukly, samozřejmě ovlivňuje výsledný ornament, ale konkrétní mechanismy tohoto vlivu je třeba ještě objasnit.
Zdroje:
1) Arjen E. van’t Hof, Pascal Campagne, Daniel J. Rigden, Carl J. Yung, Jessica Lingley, Michael A. Quail, Neil Hall, Alistair C. Darby, Ilik J. Saccheri. Průmyslová mutace melanismu u britských můr je transponovatelným prvkem // Příroda. 2016. V. 534. S. 102–105.
2) Nicola J. Nadeau, Carolina Pardo-Diaz, Annabel Whibley, Megan A. Supple, Suzanne V. Saenko, Richard WR Wallbank, Grace C. Wu, Luana Maroja, Laura Ferguson, Joseph J. Hanly, Heather Hines, Camilo Salazar , Richard M. Merrill, Andrea J. Dowling, Richard H. ffrench-Constant, Violaine Llaurens, Mathieu Joron, W. Owen McMillan, Chris D. Jiggins. Genová kůra řídí mimikry a krypsi u motýlů a můr // Příroda. 2016. V. 534. S. 106–110.
