Supergen, który maluje kłamcę

Brytyjscy naukowcy Sir Cyril Clarke i Philip Sheppard badali te motyle w latach 1960. i przez eksperymenty krzyżowania ich pokazali, że te owady nigdy nie mieszają swoich wzorów. Nie otrzymujesz pośrednich motyli z czerwonymi zakrętasami z jednego wzoru i białymi smugami z drugiego. Zamiast tego każdy wzór dziedziczony jest jako całość.

Ci dwaj naukowcy postawili hipotezę, że wzory są kontrolowane przez “supergen” – grupę genów, z których każdy kontroluje inną część skrzydeł, ale dziedziczone są jako jeden blok. Wyobraź sobie rząd wyłączników do kontrolowania urządzeń domowych, które są sklejone razem, tak że włączenie jednego powoduje włączenie wszystkich pozostałych.

Koncepcja supergenu była bardzo wpływowa i naukowcy zidentyfikowali wiele takich grup u roślin, ślimaków i innych motyli. Do teraz jednak nikt nie znalazł supergenu P. polytes. Wreszcie zrobił to Krushnamegh Kunte z Instytutu Tata Badań Podstawowych w Indiach i wyniki są całkowitą niespodzianką – zarówno potwierdzają one, jak i obalają hipotezę Clarke’a i Shepparda.

Kunte, razem z Marcusem Kronforstem z University of Chicago, porównywali nie-mimetyczne samice, które przypominają samce,  z mimetycznymi, które wyglądają jak Pachliopta aristolochiae. Szukali części genomu motyla, które są powiązane z wzorami mimetycznymi i w końcu trafili na mały odcinek zawierający pięć genów. Cztery były podobne u wszystkich samic, niezależnie od ich wzoru.

Piąty gen, znany jako doublesex, był czymś zupełnie innym.

Kunte i Kronforst znaleźli ponad tysiąc mutacji różnicujących  wersje tego genu (allele) u samic mimetycznych i nie-mimetycznych. Ta zdumiewająca rozmaitość była tym bardziej zaskakująca, że doublesex ma reputację niezmienności. Jest w zasadzie taki sam u much, chrząszczy, mrówek i w każdej innej grupie owadów. A jednak u P. polytes – i tylko między mimetycznymi i nie-mimetycznymi samicami – ten typowo konserwatywny gen był siedliskiem ewolucji.

Motyle nie zmieniają wzorów na skrzydłach dzięki dziedziczeniu różnych wersji grup genów, jak sugerowali Clarke i Sheppard, ale dzięki dziedziczeniu różnych wersji doublesex. Supergen nie jest kolektywem, ale pojedynczym genem. Nie ma szeregu wyłączników sklejonych razem; jest tylko jeden wyłącznik, który kontroluje wszystko.

Odkrycie nowej funkcji doublesex  jest podwójnie zaskakujące, ponieważ ten gen ma już dobrze zdefiniowaną rolę: puszcza rozwijające się motyle albo drogą męską, albo żeńską. To jak odkrycie, że zapalając światło w pokoju, uruchamiasz także samochód.

Kunte zastanawia się teraz, czy naukowcy nie “szufladkowali” doublesex jako genu różnicującego płeć, podczas gdy potencjalnie może on robić o wiele więcej. „W całym królestwie zwierzęcym widzimy niesłychanie różniące się samce i samice” – powiedział. – „Być może ta rodzina genów, biorąca udział w determinowaniu płci w całym królestwie zwierzęcym, ma również udział w tworzeniu poroża jeleni lub ogonów pawia”.

Nadal nie jest jasne, jak allele doublesex tworzą wzory na skrzydłach motyla. Z tysiącem mutacji, które trzeba obejrzeć, zespół ma oczywiście kłopoty z dopasowaniem ich do określonych elementów skrzydła. Niemniej znaleźli pewne wskazówki, jak gen to robi.

Przy aktywacji genu instrukcje zakodowane w ich DNA najpierw zostają przekształcone na pokrewną cząsteczkę zwaną RNA. Te transkrypty RNA są następnie używane do budowy białek. Kunte i Kronforst odkryli, że doublesex RNA jest pocięty i połączony ponownie w cztery odrębne “izoformy”, jak różne ścieżki w tej samej książce “wybierz własną przygodę”. Jedna z tych izoform znajduje się  u samców, a pozostałe trzy u samic.

Można pomyśleć, że każda z tych trzech izoform żeńskich odpowiada innemu wzorowi, i to właśnie sądzili początkowo Kunte i Kronforst. Mylili się. Każda samica ma wszystkie trzy izoformy, niezależnie od jej wzoru. Zamiast tego ważny jest sposób użycia tych izoform. Samice mimetyczne tworzą ich więcej niż nie-mimetyczne, szczególnie na skrzydłach i szczególnie w miejscach, gdzie tworzą białe znaki.

Tak więc, ten sam gen jest przetwarzany na różne sposoby i włączany z różną siłą w różnych częściach skrzydła motyla, żeby stworzyć różnorodność wzorów.

Nie wyjaśnia to jednak, dlaczego wzory są tak stabilne. Gdy rodzi się nowe pokolenie, różne wersje tego samego genu układają  się i tasują swój DNA, tworząc nowe kombinacje. U P. polytes mutacje doublesex, które dają jeden wzór mimetyczny, powinny z czasem przetasować się z tymi, które dają inny wzór, tworząc nowe mieszanki. Najwyraźniej to się nie zdarza.

Kunte i Kronforst odkryli, dlaczego: mimetyczna wersja doublesex jest odwrócona w stosunku do nie-mimetycznej, a więc umieszczona jest na genomie w innym kierunku. To odwrócenie nie pozwala dwóm wersjom na właściwe ustawienie się w szeregu i nie dopuszcza do tasowania ich, zapewniając, że ponad tysiąc mutacji tego genu zostaje odziedziczone razem.

A to właśnie, mniej więcej, sądzili Clarke i Sheppard!

Wyobrażali sobie wiele elementów działających zgodnie, żeby wyprodukować właściwe naśladownictwo na skrzydłach i przekazywanych następnemu pokoleniu jako jeden blok. Mieli rację poza jednym szczegółem: tymi elementami nie muszą być indywidualne geny. Mogą nimi być poszczególne części tego samego genu. Jak powiedział mi Mark Scriber z Michigan State University, jest zdumiewające, że Cyril Clarke doszedł do zasadniczo poprawnej odpowiedzi 60 lat temu, bez żadnych potężnych narzędzi badań genetycznych, jakich mogą użyć dzisiejsi naukowcy.

Zaimponowało to także Matthieu Joronowi z CNRS. Znalazł on supergeny w innej grupie motyli – długoskrzydłym gatunku Heliconius. Są one bliższe koncepcjom Clarke’a i Shepparda: grupy indywidualnych genów połączonych razem przez inwersję genomową. W obu liniach rodowych  motyli – Heliconius i P. polytes –  mimikra  wyewoluowała w podobny sposób.

Jest to trochę zaskakujące, ponieważ te dwie linie używają mimikry z bardzo różnych przyczyn. P. polytes stosują mimikrę batesowską – oszukują drapieżniki, by myślały, że są toksyczne, przez podobieństwo do gatunków, które naprawdę są toksyczne. Ale Heliconius stosują mimikrę mülerowską – są rzeczywiście toksyczne i wzmacniają swoje barwy ostrzegawcze przez podobieństwo jeden do drugiego, żeby drapieżnik, który nauczył się omijać jeden gatunek, omijał także je wszystkie.

Batezjańskie P. polytes są kłamcami, które pasożytują na sygnałach ostrzegawczych swoich lepiej bronionych krewnych. Mülleriańskie Heliconius uczciwie informują i znajdują bezpieczeństwo we wspólnych ostrzeżeniach. A jednak obie grupy wyewoluowały podobne wzory w ten sam sposób.

Uwaga: To jest rozszerzona wersja wiadomości z The Scientist.

Źródło: Kunte, Zhang, Tenger-Trolander, Palmer, Martin, Reed, Mullen & Kronforst. 2014. doublesex is a mimicry supergene. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13112

Tłumaczeie: Małgorzata Koraszewska. (Konsultacja polskiego przekładu dr Karol Zub.)

Ed Yong 

Mieszka w Londynie i pracuje w Cancer Research UK. Jego blog „Not Exactly Rocket Science” jest próbą zainteresowania nauką szerszej rzeszy czytelników poprzez unikanie żargonu i przystępną prezentację.
Strona www autora