Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Т. Дамур
«Мир по Эйнштейну». Глава из книги


Л. Франк
«Мой неповторимый геном». Глава из книги


В. Винниченко
Почему дельфины никогда не спят?



В память о Леониде Вениаминовиче Келдыше (07.04.1931–11.11.2016)


Н. Жизан
«Квантовая случайность». Глава из книги


Интервью с С. Ландо
Сергей Ландо: «Прорывы в математике плохо предсказуемы»


В. Гаврилов
Загадка зарянки


А. Левин
Астрономия темного


В. Мацарский
Бодался Чандра с сэром Артуром


О. Макаров
Секрет разделения







Главная / Новости науки версия для печати

Найден ген, отвечающий за эволюцию окраски у бабочек


Мимикрия у бабочек-геликоний. Каждая раса по окраске больше похожа на бабочек другого вида, проживающих на той же территории, чем на другие расы «своего» вида. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science
Мимикрия у бабочек-геликоний. Во втором и третьем ряду слева показаны 10 рас, относящихся к двум видам (Heliconius melpomene и H. erato). Эти расы образуют пять подражающих друг другу пар. Справа показаны области их распространения. Каждая раса по окраске больше похожа на бабочек другого вида, проживающих на той же территории, чем на другие расы «своего» вида. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Для бабочек геликоний, обитающих в Центральной и Южной Америке, характерна «мюллеровская мимикрия»: они маскируются под другие виды несъедобных бабочек, чтобы хищники быстрее учились их избегать. При этом многие виды и расы геликоний приобрели сходные узоры на крыльях независимо друг от друга. Американские и британские ученые установили, что расположение красных пятен на крыльях геликоний зависит от регуляторных участков гена optix. Те части крыла, в которых этот ген активен на стадии куколки, приобретают красную окраску. Исследование показало, что параллельная эволюция узоров на крыльях геликоний обусловлена изменениями одного и того же гена, которые происходили независимо в разных эволюционных линиях. Ранее аналогичная закономерность была выявлена в эволюции пятен на крыльях дрозофил.

О бабочках рода Heliconius, специалистах по мюллеровской мимикрии (Müllerian mimicry), подробно рассказано в заметке Зафиксирован начальный этап видообразования у тропических бабочек («Элементы», 09.11.2009). Окраска крыльев у этих бабочек необычайно разнообразна. Многие виды геликоний делятся на расы, каждая из которых маскируется под тех несъедобных бабочек, которые преобладают в районе ее обитания. Образцами для подражания могут служить и другие виды геликоний, и представители неродственных групп бабочек. Нередко расы, относящиеся к разным видам, но проживающие на одной территории, больше похожи по окраске друг на друга, чем на другие расы своего вида.

Мюллеровская мимикрия — классический пример параллельной (или конвергентной) эволюции, то есть независимого приобретения сходных признаков представителями разных эволюционных линий. Случаев параллельной эволюции известно великое множество (см.: Ароморфозы и параллельная эволюция), однако генетические основы этого явления пока изучены слабо. Один из самых интригующих вопросов состоит в том, возникают ли одинаковые признаки у разных видов за счет изменения одних и тех же или разных генов.

«Элементы» ранее рассказывали об исследовании, в котором удалось показать, что параллельное возникновение пятен на крыльях у мух-дрозофил было связано с изменениями регуляторных участков одного и того же гена yellow; правда, сами эти изменения были разными в разных эволюционных линиях (см.: «Тонкая подстройка» многофункционального гена может приводить к появлению новых признаков, 25.04.2006). Что касается геликоний, то у них генетические основы окраски крыльев до сих пор были известны лишь в самых общих чертах. Удалось выявить три участка генома, в которых должны находиться гены, отвечающие за те или иные аспекты окраски, но сами эти гены оставались не идентифицированными.

Биологи из США и Великобритании сосредоточили свои усилия на участке хромосомы длиной в 650 тысяч пар нуклеотидов, о котором уже было известно, что он контролирует расположение красных пятен на крыльях у многих видов Heliconius. Авторы выделяли РНК из зачатков крыльев у куколок семи рас, относящихся к трем видам (H. erato, H. melpomene, H. cydno). По количеству транскриптов (молекул РНК, считанных с того или иного гена) можно определить, насколько активен этот ген в данной части организма на данном этапе развития. Разные части крылового зачатка анализировались по отдельности.

Выяснилось, что из нескольких десятков генов, входящих в состав изучаемого участка хромосомы, с красными пятнами на крыльях связан только один. Им оказался гомеобоксный ген optix, о котором ранее было известно, что он участвует в развитии глаз у дрозофил (если его искусственно активировать в зачатках антенн, на антеннах начинают формироваться глаза). Авторы обнаружили, что у всех семи исследованных рас ген optix работает как раз в тех районах крылового зачатка, которые впоследствии приобретают красную окраску (покрываются красными чешуйками). Соответствие между расположением красных пятен и областей экспрессии optix настолько полное, что можно безошибочно реконструировать окраску, а заодно и определить вид и расу бабочки, глядя только на экспрессию гена optix в зачатке крыла у куколки.

Соответствие красных пятен на крыльях и областей экспрессии гена optix в зачатках крыльев (окрашены темно-синим) у двух рас вида H. melpomene. Изображение из обсуждаемой статьи в Science
Соответствие красных пятен на крыльях и областей экспрессии гена optix в зачатках крыльев (окрашены темно-синим) у двух рас вида H. melpomene. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Вывод о ключевой роли гена optix в формировании красных узоров на крыльях подтвердился в ходе изучения бабочек из трех гибридных зон — районов, в которых представители разных рас или видов Heliconius иногда скрещиваются друг с другом, и поэтому изменчивость окраски особенно велика. Оказалось, что в пределах изучаемого фрагмента хромосомы только в гене optix имеются вариабельные нуклеотидные позиции (то есть нуклеотиды, которые могут быть разными у разных особей), состояние которых достоверно коррелирует с формой и расположением красных пятен.

Авторы определили полную нуклеотидную последовательность гена optix у нескольких видов и рас геликоний и убедились, что все вариации в кодирующей части гена являются незначимыми (синонимичными). Это значит, что белок, кодируемый геном optix, не изменился за те 15–20 миллионов лет, которые отделяют современные виды Heliconius от их последнего общего предка. По-видимому, «осмысленные» изменения затронули только регуляторные участки гена, от которых зависит, где и когда будет синтезироваться этот белок в ходе развития организма.

Правда, сами эти регуляторные участки и конкретные мутации, ответственные за изменение окраски, авторы не идентифицировали. Это технически крайне трудная задача, требующая создания трансгенных бабочек (о том, как подобные задачи решаются на дрозофилах — более удобных лабораторных объектах, — см. в заметке Генетические механизмы формирования сложных признаков постепенно проясняются, «Элементы», 14.04.2010).

Регулирует ли ген optix окраску крыльев также и у других бабочек, не относящихся к роду Heliconius? Чтобы выяснить это, авторы изучили экспрессию optix в зачатках крыльев у трех неродственных видов бабочек (Agraulus vanillae, Vanessa cardui, Ephesia kuehniella). Никакой корреляции между узором крыла и работой optix у этих видов обнаружить не удалось. Зато оказалось, что там, где в зачатке крыла у них работает ген optix, формируются чешуйки особой формы — с заостренными концами. У этих бабочек ген optix управляет не окраской крыла, а формой чешуек. Авторы предполагают, что такова была изначальная функция optix в крыльях у бабочек. У геликоний этот ген приобрел новую функцию — стал управлять развитием красных пятен.

Изящное подтверждение этой гипотезы авторы обнаружили, изучив крылья у нескольких геликоний-мутантов, у которых пятна на крыльях были не красными, а белыми. Оказалось, что чешуйки, покрывающие эти пятна, у бабочек-мутантов имеют характерную заостренную форму. Вероятно, это своеобразный атавизм: у геликоний-мутантов ген optix сработал так, как он работает у других бабочек, запустив «старую» программу формирования заостренных чешуек вместо «новой» — программы формирования чешуек красного цвета.

У геликонии-мутанта с белыми пятнами на крыльях (слева) чешуйки, покрывающие пятно, имеют необычную заостренную форму. Такие же заостренные чешуйки развиваются у бабочек, не относящихся к роду Heliconius, на тех участках крыла, где активен ген optix. Справа — крыло нормального представителя того же вида геликоний. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science
У геликонии-мутанта с белыми пятнами на крыльях (слева) чешуйки, покрывающие пятно, имеют необычную заостренную форму. Такие же заостренные чешуйки развиваются у бабочек, не относящихся к роду Heliconius, на тех участках крыла, где активен ген optix. Справа — крыло нормального представителя того же вида геликоний. Изображение из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Хоть авторам и не удалось выявить конкретные мутации, ответственные за изменения окраски крыльев у геликоний, того, что сделано, вполне достаточно для нескольких важных выводов.

Во-первых, стало ясно, что параллельная эволюция красных пятен у геликоний происходила за счет изменений одного и того же, а не разных генов. Поскольку то же самое ранее было показано для параллельной эволюции черных пятен на крыльях дрозофил, можно предположить, что это некое общее правило (пределы применимости которого еще предстоит выяснить).

По-видимому, у бабочек, как и у дрозофил, существует некая первичная генетическая «разметка» крыла, в которой участвуют гены — регуляторы высокого уровня (такие, как ген wingless, о котором говорится в вышеупомянутой заметке). Другие гены-регуляторы, влияющие на окраску крыла (yellow у дрозофил или optix у геликоний), могут в результате мутаций и отбора обзавестись регуляторными участками, благодаря которым их активность в зачатках крыльев оказывается тем или иным способом «привязана» к первичной разметке. Небольшие изменения этих регуляторных участков могут приводить к радикальным изменениям окраски.

Общим правилом, по всей видимости, является также и удивительная многофункциональность генов — регуляторов развития, каждый из которых может управлять несколькими абсолютно разными процессами на разных этапах эмбрионального развития. Это относится и к гену optix, отвечающему за развитие глаз и красных пятнышек (или заостренных чешуек), и к вышеупомянутым генам yellow и wingless, и ко многим другим регуляторам развития (подробнее см.: «Тонкая подстройка» многофункционального гена может приводить к появлению новых признаков, «Элементы», 25.04.2006).

Эти гены являются, образно говоря, «профессиональными переключателями», которым в принципе всё равно, что именно переключать и от каких переключателей более высокого уровня зависеть самим. Работа всей системы генетических переключателей определяется не столько кодирующими, сколько регуляторными участками этих генов. Регуляторные участки представляют собой, как правило, очень короткие последовательности нуклеотидов, распознаваемые белками-регуляторами. Случайные мутации с легкостью могут изменить регуляторный участок таким образом, что к нему начнет прикрепляться какой-нибудь другой регулятор. Вероятность удачной мутации в регуляторных частях таких генов, по-видимому, существенно выше, чем в кодирующих. По мнению ряда ведущих специалистов в области evo-devo (эволюционной биологии развития), именно изменения регуляторных областей генов — регуляторов развития играют ключевую роль в морфологической эволюции многоклеточных.

Источник: Robert D. Reed, Riccardo Papa, Arnaud Martin, Heather M. Hines, Brian A. Counterman, Carolina Pardo-Diaz, Chris D. Jiggins, Nicola L. Chamberlain, Marcus R. Kronforst, Rui Chen, Georg Halder, H. Frederik Nijhout, W. Owen McMillan. optix Drives the Repeated Convergent Evolution of Butterfly Wing Pattern Mimicry // Science. 2011. V. 333. P. 1137–1141.

См. также:
1) «Тонкая подстройка» многофункционального гена может приводить к появлению новых признаков, «Элементы», 25.04.2006.
2) Генетические механизмы формирования сложных признаков постепенно проясняются, «Элементы», 14.04.2010.
3) Зафиксирован начальный этап видообразования у тропических бабочек, «Элементы», 09.11.2009.
4) Ароморфозы и параллельная эволюция.

Александр Марков


Комментарии (2)



Последние новости: ГенетикаЭволюцияАлександр Марков

05.12
Хищные бактерии помогают иммунной системе справиться с инфекцией
01.12
Иммунный статус макак зависит от социального
28.11
У собак есть эпизодическая память
24.11
Метаморфоз у личинок червя Hydroides elegans запускается бактериями
23.11
Численность и генетическое разнообразие китовых акул измерили по пробам воды
22.11
Фиджийские муравьи сами выращивают для себя жилища
14.11
Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга
09.11
Разнообразие пищевого поведения у нематоды Caenorhabditis elegans поддерживается балансирующим отбором
08.11
Многие беспозвоночные, подобно млекопитающим, вынашивают и выкармливают свое потомство
07.11
Узкая пищевая специализация бывает эволюционно невыгодной

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Дмитрий Сутормин, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Индикатор», «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия