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华盛顿(2024年8月30日)——一个国际研究团队揭示了影响蝴蝶翅膀上绚丽多彩图案的意想不到的遗传机制。在《美国国家科学院院刊》上发表的研究中，由乔治华盛顿大学和剑桥大学的卢卡·利弗拉吉教授领导的团队发现，决定蝴蝶翅膀上黑色色素分布的关键因素是RNA分子，而非之前认为的蛋白质。
几个世纪以来，生物学家一直对蝴蝶如何在翅膀上形成鲜艳的图案和颜色充满好奇。发育中的蝴蝶翅膀细胞中的遗传信息决定了翅膀鳞片上颜色的具体排列——这些微观瓦片类似于数字图像中的彩色像素。破解这一遗传密码对于理解基因如何构建生物体的结构至关重要。在实验室中，研究人员可以利用基因编辑工具操控蝴蝶的基因，并观察其对翅膀颜色等可见特征的影响。
科学家们早已意识到，蛋白质编码基因在这些过程中扮演着重要角色。这些基因产生的蛋白质能够决定特定鳞片何时何地产生特定色素。关于黑色色素的形成，研究人员最初认为这一过程与其他色素无异，暗示了蛋白质编码基因的作用。然而，新的研究揭示了一个全新的视角。
研究团队发现一种产生RNA分子的基因——而非蛋白质——在蝴蝶蜕变过程中控制黑色色素的生成。通过基因组编辑技术CRISPR，研究人员证明，当去除产生RNA分子的基因时，蝴蝶完全失去了黑色色素鳞片，这表明RNA活性与深色色素的发育之间存在明确的联系。
“我们的发现令人震惊，”乔治华盛顿大学的博士后科学家利弗拉吉表示。“这种RNA分子直接影响了黑色色素在翅膀上的表现，以一种我们未曾预料的方式塑造了蝴蝶的颜色模式。”
研究人员进一步探讨了RNA分子在翅膀发育过程中的作用。通过检查其活性，他们发现RNA的表达位置与黑色鳞片的形成位置之间存在完美的相关性。
乔治华盛顿大学的生物学副教授阿诺·马丁表示：“我们很惊讶，这种基因在黑色鳞片最终在翅膀上发育的地方被精确开启。”“从这个意义上说，它确实是一个进化的画笔，且是一个创造性的画笔，从它对多个物种的影响来看。”
研究人员还检查了其他几种蝴蝶中新发现的RNA，这些蝴蝶的进化历史大约在8000万年前分道扬镳。他们发现，在这些物种中，RNA已经进化到控制深色色素模式的新位置。
波多黎各大学(Río Piedras)的生物学教授里卡多·帕帕表示：“从多个物种的CRISPR突变体中获得的一致结果确实表明，这种RNA基因并非最近才出现，而是控制翅膀模式多样性的关键祖先机制。”
乔治华盛顿大学的博士后、访问学者乔·汉利说：“我们和其他研究者现在已经在许多不同的蝴蝶物种中研究了这种遗传特征，值得注意的是，我们发现这种相同的RNA一次又一次地被使用，从长翼蝴蝶到帝王蝶和彩蝶。这显然是翅膀模式进化的关键基因。我想知道生物学家是否因为忽视基因组的暗物质而错过了其他类似的现象。”
这些发现不仅挑战了长期以来关于遗传调控的假设，而且为研究动物可见特征如何进化开辟了新的途径。
这项名为“蝴蝶皮质位点的长链非编码RNA控制着蝴蝶的适应性着色”的研究于2024年8月30日发表在《美国国家科学院院刊》上，得到了美国国家科学基金会和生物技术与生物科学研究委员会的支持。
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