鱗翅目昆蟲（蝴蝶和飛蛾）的翅膀顏色圖案種類繁多。許多鱗翅目物種的翅膀顏色圖案都呈現(xiàn)出與黑色素有關(guān)的多態(tài)性。許多這些或亮或暗，或黑或白的翅膀顏色變化是自然選擇和進(jìn)化論的典型例子，包括生物教科書中的經(jīng)典案例 - 英國樺尺蛾的工業(yè)黑化。英國工業(yè)革命之前，樺尺蛾大多為白色，以便與樹干上白色的地衣融為一體。工業(yè)革命之后，隨著污染的增加，煤煙殺死了地衣，熏黑了樹干，導(dǎo)致白色的樺尺蛾暴露在黑色的環(huán)境中而更容易被鳥捕食。此時(shí)，一種黑色的樺尺蛾在種群中出現(xiàn)。由于在被煤煙污染的環(huán)境中黑色型更隱蔽更不易被捕食者發(fā)現(xiàn)，黑色型在短短的幾十年時(shí)間迅速占領(lǐng)整個(gè)種群。在達(dá)爾文的物種起源一書中提到了自然選擇理論：在不斷變化的環(huán)境中，不同生物個(gè)體會(huì)表現(xiàn)出個(gè)體差異，其中適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體會(huì)被自然選擇保留并繁衍后代，不適應(yīng)環(huán)境的個(gè)體會(huì)被淘汰。樺尺蛾翅膀顏色的變化，正印證了自然選擇的假說，成為了教科書上的經(jīng)典案例。除樺尺蛾之外，還有許多相隔一億年進(jìn)化歷程的蝴蝶與蛾都存在類似的翅膀顏色多態(tài)性，例如枯葉蛺蝶的葉形擬態(tài)，家蠶的黑白色型等。過去的研究大多著重在闡明這些鱗翅目昆蟲翅膀顏色多態(tài)性在生態(tài)與進(jìn)化中的意義，其遺傳和發(fā)育基礎(chǔ)仍是一個(gè)謎。蝴蝶與蛾是如何將翅膀染成黑色或白色的？在過去的二十年里，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)鱗翅目昆蟲與黑色素相關(guān)的翅膀顏色變化是由同一個(gè)基因組區(qū)域控制的，這個(gè)基因組區(qū)域圍繞在一個(gè)被稱為'cortex’的蛋白質(zhì)編碼基因周圍。因此，一直以來科學(xué)家們認(rèn)為cortex是此基因組區(qū)域中控制黑色素產(chǎn)生與否的關(guān)鍵基因。然而，由新加坡國立大學(xué)生物科學(xué)系的田申博士和 Antónia Monteiro 教授領(lǐng)導(dǎo)的來自新加坡、日本和美國的國際研究團(tuán)隊(duì)在Science雜志上發(fā)表了一項(xiàng)最新研究，題為：A microRNA is the effector gene of a classic evolutionary hotspot locus。研究發(fā)現(xiàn)cortex并不會(huì)影響黑色素的產(chǎn)生。相反，一個(gè)之前被忽視的微小 RNA (miRNA) 才是這個(gè)基因組區(qū)域控制黑色素形成的關(guān)鍵。 先前的研究中大量自相矛盾的證據(jù)讓人懷疑cortex是否真的是控制黑色素形成的關(guān)鍵，這啟發(fā)了田申博士測試該基因組區(qū)域中除cortex以外其他一些基因的功能，包括之前一直被忽略的非編碼基因- miRNA”。miRNA 是小分子非編碼 RNA，它們雖然不像大多數(shù)基因那樣編碼蛋白質(zhì)，但它們通過抑制靶基因的表達(dá)在基因調(diào)控中發(fā)揮著重要作用”。值得一提的是，2024年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲得者正是miRNA的發(fā)現(xiàn)者，這也印證了這些小分子RNA在生物學(xué)中的重要意義。在這項(xiàng)研究中，田申博士帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)緊鄰cortex基因的 miRNA - mir-193。該團(tuán)隊(duì)使用基因編輯工具 CRISPR-Cas9 在三種深度分化的蝴蝶中敲除了mir-193。研究發(fā)現(xiàn)，敲除mir-193 抹去了了非洲偏瞳蔽眼蝶（ Bicyclus anynana）、東方菜粉蝶 （Pieris canidia） 和玉帶鳳蝶 （Papilio polytes） 中黑色和深色的翅膀顏色，而敲除同一基因組區(qū)域中的包含cortex在內(nèi)的四個(gè)蛋白質(zhì)編碼基因并不會(huì)影響翅膀顏色。這表明，mir-193，而非cortex或任何其他附近的蛋白質(zhì)編碼基因，是鱗翅目昆蟲中控制黑色素翅膀顏色圖案多態(tài)性的關(guān)鍵。研究小組進(jìn)一步證實(shí)，mir-193 是由被稱為'ivory’的長鏈非編碼 RNA加工而成的，它通過直接抑制多個(gè)黑色素形成通路中的基因發(fā)揮作用。由于 mir-193 的序列不僅在鱗翅目昆蟲中，而在整個(gè)動(dòng)物界中都得到了高度保守，該團(tuán)隊(duì)還測試了mir-193在非鱗翅目昆蟲-果蠅中的作用。令人驚訝的是，mir-193 在果蠅中同樣影響黑色素形成。這表明 mir-193的功能即使在鱗翅目昆蟲之外也高度保守。之前的研究只關(guān)注cortex在黑色素形成中的作用，但這項(xiàng)研究對(duì)這一長期存在的假設(shè)徹底進(jìn)行了轉(zhuǎn)向。他們的研究證明了一個(gè)miRNA，即mir-193，而非先前認(rèn)為的蛋白質(zhì)編碼基因cortex，是自然界中蝴蝶與蛾翅膀顏色變化的關(guān)鍵。這項(xiàng)研究表明在全基因組關(guān)聯(lián)研究中，我們絕不能只關(guān)注蛋白質(zhì)編碼基因而忽視非編碼 RNA（如 miRNA），否則會(huì)得出誤導(dǎo)性的結(jié)論。非編碼 RNA 在表型多樣化中的作用在很大程度上尚未得到充分研究。這項(xiàng)研究在一定程度上為人們了解非編碼 RNA，如 miRNA，如何引導(dǎo)生物體形態(tài)多樣性的進(jìn)化奠定了基礎(chǔ)。一對(duì)交配中的偏瞳蔽眼蝶野生型（深色）和mir-193敲除個(gè)體（淺色）（圖片版權(quán)：田申） 田申博士是該Science論文的第一作者和共同通訊作者，他曾是新加坡國立大學(xué)Antónia Monteiro教授實(shí)驗(yàn)室的博士及博士后研究員。田申博士現(xiàn)以Hargitt學(xué)者身份在美國杜克大學(xué)從事博士后研究。http:///10.1126/science.adp7899
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