Ett internationellt forskarlag som arbetade vid Smithsonian Tropical Research Institute i Panama slog ut en enda kontrollgen i DNA från sju olika fjärilsarter. I den 18 sept Proceedings of the National Academy of Sciences tidig onlineupplaga, de avslöjar de överraskande resultaten av att koppla om WntA-genen:en enda gen påverkar den sprudlande mångfalden av fjärilsvingmönster i naturen.

"Fjärilsvingmönster är fantastiska," sa Owen McMillan, stabsforskare vid STRI och medförfattare, "en sann evolutionär nyhet, mycket mångsidig och starkt formad av naturligt och sexuellt urval. Genom att genmanipulera individer från olika arter, vi kommer snabbt in i hur denna mångfald genereras. Förvånande, en enda gen, och en som används upprepade gånger under utvecklingen, kan ha enorma effekter."WntA-proteinet är en mycket konserverad signalmolekyl. WntA-genen är en del av en liten familj av gener som påverkar kroppsplaner och andra mönster under insektsutveckling. Det kodar för en utsöndrad proteinmolekyl som verkar fungera som en spridbar signal, en så kallad morfogen, som fastställer positionerna för specialiserade celltyper i en vävnad. Termen morfogen myntades av Alan Turing, fadern till teoretisk datavetenskap och artificiell intelligens som var intresserad av den kemiska grunden för morfogenesen.

"Föreställ dig en målad bild av en fjäril, ", sade McMillan. "Instruktionerna för att färga vingen är skrivna i den genetiska koden. Genom att ta bort några av instruktionerna, vi kan sluta oss till vilken del som säger 'måla nummer två's röd' eller 'måla nummer ett svart. Självklart, det är mycket mer komplicerat än så här eftersom det som faktiskt förändras är nätverk av gener som har en kaskadeffekt på mönster och färg."

"Arbetar i Smithsonians nya labb i Gamboa, Panama, vi injicerade fjärilsägg med en RNA-sond som fästes vid en del av den genetiska koden, en gen som heter WntA, som vi misstänkte spelade en roll i uttrycket av färg, sa Carolina Concha, Biogenomics Postdoktor vid STRI. "Efter att ha slagit ut genen, vi lät fjärilarna växa upp och jämförde knockoutmutanternas vingmönster med de ursprungliga vingmönstren, " sa Richard Wallbank, en STRI och Cambridge postdoktor.

Upprepa samma procedur i sju olika fjärilsarter och jämföra resultaten, teamet upptäckte oväntade sätt på vilka WntA-genen påverkar vingmönster.

"För att gå tillbaka till analogin måla efter nummer, 'Nummer ett' kan röra sig runt vingen hos olika fjärilsarter, och även i olika färgmönster varianter av samma art. I Monarchs, till exempel, genen uttrycks med fin precision längs vingvenerna. I kontrast, i Heliconius, en grupp känd för levande vingmönster, genen uttrycks i djärva penseldrag från i huvudsak spetsen till basen av vingen. Och det blir ännu galnare, eftersom färgen på "Nummer ett" kan ändras beroende på sammanhang, växla mellan olika färgade pigment och till och med ändra hur ljus reflekteras. Hos fjärilar, färg är en funktion av både pigment och de strukturella egenskaperna hos fjällcellerna som täcker vingen, sa McMillan.

WntA was one of the early genes discovered to be involved in patterning in Heliconius by Arnaud Martin, when working as a STRI Short-term Fellow during his Ph.D. forskning. The team can predict how many different genes this one regulatory gene controls based on the number of potential regions along the gene that it can bind to. This is much less costly to the organism than having to create different proteins for each job.

"The butterflies and moths, the Lepidoptera, are the third largest group of organisms known on the planet, " said Martin, now Assistant Professor of Biology at George Washington University and corresponding author of the study. "Once we identified the sets of genes regulated by a gene like WntA, we can look at the sequence of different butterflies in the family tree to see when and where these changes took place during the 60 million years of butterfly evolution."