دو طرف به بال: ژنی که باعث می شود پروانه الگوهای بال بالا و پایین متفاوت باشد

من به عنوان یک کودک ، زیست شناسی و یادگیری در مورد چگونگی رشد حیوانات و گیاهان را دوست داشتم. من همچنین به هنر علاقه مند بودم زیرا مادرم در طول وقت آزاد من باعث می شود پروژه های سرگرم کننده ، هنر و صنایع دستی انجام دهم. این قرار گرفتن در معرض اوایل کودکی سرانجام باعث شد که من دانشمند شوم ، و مطالعه می کنم که چگونه رنگ ها و الگوهای در پروانه ها رشد می کنند. من همیشه در جستجوی پروژه هایی هستم که هنر و علم را ترکیب می کنند. در خارج از کار ، من عاشق طراحی ، بازی بدمینتون و غواصی هستم!*anupama@u. nus. edu

داوران جوان

مدرسه رحمت

معلم ما می گوید ما یک گروه پرانرژی و روشن هستیم. ما عاشق بخار هستیم و وقتی صحبت از پروژه ها و تحقیق می شود فوق العاده انجام می دهیم. ما از یادگیری در مورد علم و دیدن برنامه های آن بسیار هیجان زده هستیم.

خلاصه

پروانه ها با الگوهای بال رنگارنگ و پیچیده خود ، قرن ها از هنرمندان و شاعران الهام گرفته اند. تغییرات در رنگ ها و الگوهای بالهای آنها فقط برای نمایش نیست بلکه عملکردهای مهم ارتباطی را انجام می دهد. الگوهای بالها می تواند به محافظت از پروانه ها از شکارچیان از طریق استتار کمک کند ، یا به شکارچیان هشدار دهد که بدن پروانه سمی است یا به جذب همسران بالقوه کمک می کند. یکی از ویژگی های اصلی این بوم های بال این است که آنها دو طرف دارند و می توانند پیام های مختلفی را در هر طرف داشته باشند. به طور کلی ، پروانه ها از سطوح بالای بالهای خود برای اغوا کردن جنس مخالف استفاده می کنند ، در حالی که آنها از سطوح پایین برای پنهان کردن از دید یا ارتباط با شکارچیان خود استفاده می کنند که خوردن آنها سمی خواهد بود. ما ژنی را شناسایی کرده ایم که وظیفه ایجاد الگوهای "پیام اغوا کننده" سطح بالایی را بر عهده دارد. این ژن ، هنگامی که جهش یافته است ، هر دو سطح بال پروانه را به پیام "ضد پیش بینی" الگوی سطح پایین تبدیل می کند. در این مقاله به بررسی چگونگی شناسایی این ژن بال پروانه ای که یک بوم دو طرفه را به یک بوم یک طرفه مکرر تبدیل می کند ، بحث می کند.

آیا تا به حال به انگشت خود نگاه کرده اید و متوجه شده اید که دو طرف متفاوت هستند؟یک طرف ناخن دارد و یک طرف این کار را نمی کند. به همین ترتیب ، بسیاری از ویژگی های پشت شما با ویژگی های قسمت شکم شما بسیار متفاوت است. این در مورد بیشتر حیوانات ، از جمله پروانه ها صادق است. پروانه ها دارای الگوهای بال در یک سطح هستند که با الگوهای موجود در سطح دیگر بسیار متفاوت است (شکل 1A). پروانه ها غالباً از رنگ ها و الگوهای کسل کننده در یکی از سطوح بال خود استفاده می کنند ، تا از شکارچیان پنهان شوند و رنگهای برجسته ای در سطح دیگر ، برای جذب همسران. علاوه بر این ، از آنجا که بیشتر پروانه ها معمولاً با بالهای خود بسته می نشینند ، قسمت شکمی (یا پایین) بالهای آنها ، با رنگهای فرومایه ، تنها سطح قابل مشاهده است. قسمت پشتی (یا فوقانی) با رنگهای نمایشی هنگام بسته شدن بالها پنهان می شود. بنابراین ، پروانه ها می توانند به طور موثری از شکارچیان در این موقعیت پنهان شوند ، اما هنوز هم قادر به باز کردن و باز کردن بال های خود هستند تا هنگام حیاط همسران بالقوه ، رنگهای پنهان خود را به نمایش بگذارند. به یک بال پروانه به عنوان یک تکه کاغذ فکر کنید که می تواند دو پیام بسیار متفاوت در هر دو طرف داشته باشد تا به افراد مختلف نشان داده شود.

• شکل 1 - (الف) دو گونه پروانه با الگوهای مختلف سطح بال بالا/پشتی (سمت چپ) و پایین/شکمی (راست).
• گونه های سمت چپ پروانه بلوط نارنجی (Kallima inachus) است و یکی از سمت راست مورفو شفق قطبی است. توجه کنید که چگونه سطح شکمی بلوط نارنجی مانند یک برگ خشک به نظر می رسد (عکس ها: lepdata.org).(ب) دو نمونه از الگوهای بال بزرگ بال بزرگسالان و پیشانی هایی که روی بال پروانه دیده می شود. رعایت کنید که چگونه مقدمات با الگوهای بال بزرگ بزرگسالان مطابقت دارد. تصاویر از Brunetti و همکاران.[2] و رید و همکاران.[6]ج) چگونه الگوهای روی بال پروانه ایجاد می شود؟ابتدا یک سطح بال خالی و خالی وجود دارد. محفظه های پشتی و شکمی به دلیل بیان متفاوت ژن ها بر روی بال ایجاد می شوند (ژن A محفظه پشتی را نشان می دهد و کمبود ژن A باعث ایجاد محفظه شکمی می شود). در این زمان ، بال در امتداد خط تاشو می شود تا دو سطح مانند دو طرف یک کاغذ باشد. در کادر سوم ، می بینید که مجدداً در این محفظه ها ایجاد می شود ، دوباره به دلیل بیان ترکیب های مختلف ژن ها. به عنوان آخرین مرحله ، رنگ در این الگوهای پیش ظاهر می شود. د ، پشتی/بالا ؛v ، شکمی/پایین.

الگوهای بال در پروانه ها چگونه توسعه می یابد؟

آنچه ما می خواستیم با آزمایشات خود درک کنیم این بود که چگونه الگوهای مختلف روی دو سطح بال ایجاد می شود. اما ، قبل از اینکه به آنجا برویم ، بگذارید در مورد چگونگی رشد بال ها و الگوهای آنها در پروانه ها و آنچه در حال حاضر در مورد این روند می دانیم صحبت کنیم. پروانه ها به همراه سوسک ها ، مگس ها ، پروانه ها و زنبورها در گروه حشرات هولومتابول قرار می گیرند. این بدان معناست که پروانه ها یک دگرگونی کامل را طی می کنند ، که انتقال از یک لارو ، حیوان مانند مانند حیوان بالغ با بال ، پاهای باریک بزرگ و چشم های بزرگ است. پروانه ها در طول توسعه چهار مرحله زندگی مختلف دارند. این مرحله جنینی (که در داخل تخم مرغ اتفاق می افتد) ، مرحله لارو (یا کاترپیلار) ، مرحله توله سگ و مرحله بزرگسالان است. تخم ها روی برگهای گیاهان خاص گذاشته می شوند و کاترپیلارهایی که از تخم مرغ ها تخم می زنند این برگها را می خورند تا اینکه وارد مرحله توله سگ شوند. مرحله توله سگ زمانی است که بیشتر بافتهای بدن لارو حل شده و دوباره شکل می گیرند تا پروانه بالغ ایجاد شود که در نهایت ظهور می شود. بال پروانه ها از گروهی از سلول ها تشکیل می شوند که در مرحله جنینی ، به شکل دیسک های تخیلی کنار گذاشته می شوند. این دیسک های تخیلی با رشد لاروها در بدن لارو رشد می کنند ، اما در مرحله توله سگ دیسک های تخیلی به سمت خارج بدن حرکت می کنند و اندازه و شکل نهایی آنها را توسعه می دهند. با بررسی دقیق دو طرف یک شفیره می توانید بالهای جلوی یک پروانه آینده را به راحتی مشاهده کنید.

الگوهای بال بزرگسالان به تدریج در دیسک های تخیلی بال رشد می کنند زیرا این دیسک ها به بال های بالغ می شوند. در مقطعی در مرحله کاترپیلار ، بال "به" به محفظه های پشتی و شکمی تقسیم می شود. این بخش به این دلیل اتفاق می افتد که برخی از ژن ها (بخش هایی از DNA که حاوی دستورالعمل های خاصی برای ساخت ارگانیسم هستند) فقط در یک سطح از بال بیان می شوند ، می گویند سطح پشتی ، اما در دیگری نیست. پس از این مرحله ، به دلیل بیان ژنهای مختلف در موقعیت های مختلف بال ، بر روی دیسک گذاشته می شود (شکل 1B). در این مرحله اولیه ، در حال حاضر مشخص است که مقدمات در سطوح بال پشتی و شکمی متفاوت هستند. در مرحله بعد ، رنگ ها در قسمتهای آماده ظاهر می شوند زیرا ژنهای رنگدانه (رنگ) فعال می شوند [1]. با استفاده از قیاس دوباره یک تکه کاغذ ، می توانیم با ترسیم خطوط و ایجاد چین هایی که در شکل 1C نشان داده شده است ، در کاغذ محفظه ایجاد کنیم. سپس ، می توانیم تصویری را در یک طرف کاغذ بکشیم که نمایانگر یک prepatte است ، و در نهایت ما تصویر را با استفاده از ترکیب های مختلف رنگ برای به دست آوردن الگوی نهایی بزرگسالان رنگ می کنیم (شکل 1C).

دانشمندان سالهاست که رشد بال در مگس های میوه ای (نام علمی: Drosophila melanogaster) را مورد مطالعه قرار داده اند و ژنهای زیادی را برای ایجاد محفظه و الگوهای مهم شناسایی کرده اند. از آنجا که رشد بال در مگس های میوه و پروانه ها بسیار مشابه است ، مراحل اولیه رشد بال ، مانند ایجاد محفظه در بالهای پروانه ای ، از طریق مطالعه مگس های میوه کاملاً درک شده است. با این حال ، پروانه ها با مگس ها متفاوت هستند که پروانه ها از الگوهای بال پیچیده و رنگارنگ برخوردار هستند. محققان در شناسایی ژنهای متعددی که این الگوها را ایجاد می کنند ، بسیار موفق بوده اند. به عنوان مثال ، بسیاری از ژنهای درگیر در توسعه الگوهای که به نظر می رسند مانند چشم ، به نام الگوهای Eyespot ، مشخص شده اند. در گونه های پروانه ای Bicyclus Anynana ، ژنهایی به نام SPALT و Distal-Cont در مراکز چشم ها بیان می شوند و Spalt نیز در حلقه سیاه بیان می شود. یک ژن دیگر به نام حکاکی شده/Insped در حلقه طلای اطراف آن بیان شده است (شکل 1B) [2].

بنابراین ، بر اساس این مطالعات و شباهت در توسعه بین بال های مگس و پروانه ، فرض کردیم که ژن به نام مناسب A ممکن است مسئول ایجاد الگوهای بالدار مختلف و شکمی در پروانه ها باشد. ما این ژن را انتخاب کردیم زیرا در بالهای مگس ها و پروانه ها فقط روی سطح پشتی بیان می شود و از سطح شکمی غایب است [3 ، 4]. ما از پروانه B. آننانا برای آزمایش این فرضیه استفاده کردیم. برای نشان دادن اینكه این ژن وظیفه ایجاد الگوهای مختلف سطح خاص در پروانه ها را بر عهده دارد ، ما نیاز به حذف آن و نگاه به الگوهای بال در پروانه هایی كه این ژن را ندارند ، باید نگاه كنیم. اگر در واقع A در واقع مسئول ایجاد یک الگوی پشتی باشد که با الگوی شکمی متفاوت باشد ، پس از حذف آن ، الگوی پشتی باید شبیه به الگوی شکمی باشد. برای حذف ژن مناسب ، ما از تکنیک جدیدی به نام CRISPR-CAS9 استفاده کردیم.

تکنیک CRISPR-CAS9 چیست؟

تکنیک CRISPR-CAS9 یک فناوری جدید قدرتمند است که باعث شده است که دانشمندان بتوانند ژن ها را به راحتی جهش دهند و عملکردهای ژن را حذف کنند [5]. این سیستم در ابتدا در باکتری ها به عنوان یک پاسخ ایمنی برای محافظت از باکتری ها در برابر عوامل مضر مانند ویروس ها مشخص شد [5]. هنگامی که دانشمندان از تکنیک CRISPR-CAS9 برای حذف ژن های خاص در حیوانات استفاده می کنند ، می توانند حیوانات را مطالعه کنند تا ببینند چه اتفاقی می افتد وقتی این ژن از دست می رود. فناوری CRISPR-CAS9 اساساً از یک قیچی مولکولی (آنزیم CAS9) تشکیل شده است که توسط یک قطعه RNA به ژن مورد علاقه هدایت می شود. RNA ، مشابه DNA ، مولکولی است که عملکردهای بیولوژیکی مهمی را در یک سلول انجام می دهد. دنباله RNA قیچی را می گوید که کدام ژن را خرد می کنند و قیچی CAS9 آن را برش می دهد. با این حال ، مکانیسم های ترمیم کاملاً ضعیف هستند و هنگامی که منطقه خرد شده ترمیم می شود. بسیاری از توالی ها یا حذف یا اضافه می شوند و عملکرد آن ژن را از بین می برند (شکل 2).

• شکل 2 - با استفاده از تکنیک CRISP R-CAS9 در پروانه ها.
• مخلوطی از RNA راهنما و قیچی مولکولی Cas 9 در مراحل اولیه رشد به تخم پروانه تزریق می شود (بالا). RNA راهنما Cas9 را به سمت ژن صحیح هدایت می کند و Cas9 DNA را (وسط) برش می دهد. از آنجایی که مکانیسم های ترمیم DNA در این موارد بسیار کارآمد نیستند، جهش های زیادی در ناحیه هدف ظاهر می شوند. این باعث می شود که ژن یا توالی DNA غیرعملکردی باشد و بر الگوهای بال نهایی تأثیر بگذارد. از آنجایی که فقط برخی سلول ها جهش می یابند، پروانه های بالغ تکه های موزاییکی را نشان می دهند که در آن الگوهای بال تحت تأثیر قرار می گیرند (پایین). DNA این افراد را می توان دوبار بررسی کرد تا ببینیم آیا جهش در ناحیه مورد نظر رخ داده است یا خیر.

برای استفاده از این سیستم در پروانه های B. anynana، ما یک راهنمای RNA طراحی کردیم که ژن A apterous را در این گونه شناسایی می کند، و این توالی را همراه با قیچی Cas9 به تخم ها تزریق کردیم (شکل 2). سپس همه کاترپیلارهای نوظهور را تا زمانی که بالغ شدند پرورش دادیم و سپس الگوهای بال پروانه را بررسی کردیم تا ببینیم آیا الگوهای پشتی اکنون شبیه الگوهای شکمی هستند یا خیر. الگوهای جهش یافته معمولاً موزائیک هستند (به صورت تکه هایی روی سطح بال ظاهر می شوند) زیرا فقط برخی از سلول ها (اما نه همه سلول های) پروانه زمانی که آنها را به تخم ها تزریق می کنیم مورد هدف قیچی قرار می گیرند (شکل 2). سپس می توانیم با مشاهده DNA آن پروانه ها تأیید کنیم که ژن صحیح جهش یافته است تا ببینیم آیا توالی ژن A تغییر یافته است یا خیر.

Apterous a الگوهای بال پروانه ای خاص پشتی ایجاد می کند

ما متوجه شدیم که وقتی ناپسند A از این پروانه ها حذف شد، پروانه ها در سطح پشتی بال هایشان دارای طرح های موزاییکی و شکمی مانند بودند (شکل 3) [6]. به عنوان مثال در مردان، ویژگی های خاصی مانند غده ای که برای تولید عطرهای خواستگاری استفاده می شود، که معمولاً در سطح شکمی قرار دارد، اکنون در سطح پشتی ظاهر می شود (فلش قرمز در شکل 3، ستون 2). علاوه بر این، یک پروانه الگوهای لکه چشمی شکمی (هفت نقطه چشم؛ فلش های قرمز در شکل 3، ستون 4) را روی سطح بال پشتی نشان داد که معمولاً فقط 0 تا 2 نقطه چشم دارد. وقتی توالی ژن A apterous را در این پروانه ها تجزیه و تحلیل کردیم، تأیید کردیم که توالی A apterous تغییر کرده است. این نتایج به ما گفت که apterous A در واقع مسئول ایجاد الگوهای بال مخصوص پشتی در پروانه ها است.

• شکل 3 - بال های پشتی و شکمی طبیعی (وحشی/WT) پروانه Bicyclus anynana و سطوح پشتی جهش یافته ها.
• توجه کنید که چگونه سطوح پشتی در جهش ها مانند سطوح شکمی به نظر می رسند. شما می توانید ظاهر غده بطن دار شده را در سطح پیشانی پشتی (فلش قرمز در ستون 2) مشاهده کنید ، همه هفت چشم در سطح پشتی پشتی (فلش های قرمز در ستون 4) و تکه های موزائیک روی سطح پشتی نشان داده شده توسط نقطه سفید نقطه سفیدخطوطد ، پشتی ؛v ، شکمی. جهش ها همه پروانه های مختلف هستند.

این داده ها ما را به کجا هدایت می کند؟

تنوع در الگوهای بال مخصوص سطح در پروانه ها بسیار زیاد است. اگر تا به حال به یک پارک پروانه ای مراجعه کرده اید یا پروانه ها را در باغ خود مشاهده می کنید ، می توانید این موضوع را متوجه شوید. ما ژن را شناسایی کرده ایم که می تواند این تغییرات الگوی بین سطوح بال پشتی و شکمی پروانه ها را ایجاد کند. جالب اینجاست که ، همان ژن (مناسب) باعث می شود پیشانی سوسک ها بسیار سخت و جامد باشد. ژنهای دیگر از همان خانواده به عنوان کمک به ایجاد ویژگی های مختلف اندام پشتی و شکمی در مهره داران مانند موش. بنابراین ، یک سؤال جالب که از این کار به وجود می آید این است که آیا همان خانواده ژن ها مسئول الگوهای مختلف خلفی مختلف در گونه های مختلف هستند ، و اینکه چگونه یک خانواده ژن می تواند همه این تغییرات را ایجاد کند!

استفاده دوم و احتمالاً بسیار جالب از این داده ها به عنوان ابزاری برای انتخاب سلول هایی است که می تواند برای انجام کارهای جالب دیگر استفاده شود. به عنوان مثال ، اگر به گونه های مشهور پروانه مورفو (شکل 1A) نگاه کنید ، می بینید که قسمت پشتی یک رنگ آبی درخشان است در حالی که قسمت شکمی عمدتا قهوه ای است. رنگ آبی برای دانشمندان بسیار جالب است ، زیرا توسط رنگدانه ها ایجاد نمی شود بلکه به دلیل مکانیسمی است که در آن نور با ساختارهای بسیار ریز در سطح مقیاس بال تعامل دارد. اگر مناسب A فقط در سطوح پشتی بیان شود ، به این معنی است که تمام سلولهایی که به مقیاس آبی تبدیل می شوند این ژن را بیان می کنند. با استفاده از روش هایی برای مرتب کردن سلولهایی که بیان A و آنهایی که انجام نمی دهند ، می توانیم فقط مقیاس های آبی را از هم جدا کنیم و بررسی کنیم که چگونه این سلول ها ساختارهای ریز را می سازند. این امر می تواند توسط دانشمندان برای ایجاد سطوح تولید رنگ یا حتی ممکن است برای اصلاح سلولهای زنده مانند باکتری ها مورد استفاده قرار گیرد تا آنها بتوانند رنگ های مختلفی تولید کنند!

واژه نامه

Holometabolous: ↑ نوعی از توسعه حشرات که شامل چهار مرحله زندگی است. مراحل زندگی عبارتند از: مرحله جنینی (داخل تخم مرغ) ، مرحله لارو (یا کاترپیلار) ، مرحله توله سگ و مرحله بزرگسالان.

دیسک های تخیل: jure ساختارهای موجود در بدن یک لارو حشره هولومتابول که به ساختارهای خارجی بزرگسالان (مانند بال و پاها) تبدیل می شوند.

Prepattes: ad الگوهای تشکیل شده توسط گروههای سلولهایی که ترکیبات مختلفی از ژن ها را بیان می کنند که در نهایت توسعه رنگ های مختلف را تنظیم می کنند.

CRISPR-CAS9: ↑ یک فناوری جدید که به دانشمندان کمک می کند ژن های خاص را برای اصلاح توالی و عملکرد ژن خود هدف قرار دهند.

بیانیه منافع منافع

نویسنده اعلام می کند که این تحقیق در غیاب هرگونه روابط تجاری یا مالی که می تواند به عنوان یک تضاد احتمالی منافع تفسیر شود ، انجام شده است.

مقاله منبع اصلی

↑ Prakash ، A. ، and Monteiro ، A. 2018. مناسب A الگوهای بال پشتی و صفات جنسی در پروانه ها را مشخص می کند. پروکR SOC. B Biol. علمی285: 20172685. doi: 10. 1098/rspb. 2017. 2685

منابع

[1] ↑ McMillan ، W. O. ، Monteiro ، A. ، and Kapan ، D. D. 2002. توسعه و تکامل در بال. روند ECOL. تحول17: 125-33. doi: 10. 1016/S0169-5347 (01) 02427-2

[2] ↑ Brunetti ، C. R. ، Selegue ، J. E. ، Monteiro ، A. ، French ، V. ، Brakefield ، P. M. ، and Carroll ، S. B. 2001. تولید و تنوع الگوهای رنگ چشم پروانه. curr. بیول11: 1578-85. doi: 10. 1016/S0960-9822 (01) 00502-4

[3] ↑ Carroll ، S. B. ، Gates ، J. ، Keys ، D. N. ، Paddock ، S. W. ، Grace ، E. F. ، Selegue ، J. E. ، et al. 1994. تشکیل الگوی و تعیین چشم در بال پروانه. Science 265: 109 14.

[4] ↑ Cohen ، B. ، McGuffin ، M. E. ، Pfeifle ، C. ، Segal ، D. ، and Cohen ، S. M. 1992. پروتئین هاژن های dev. 6: 715 29.

[5] ↑ Sander ، J. D. ، and Joung ، J. K. 2014. سیستم های CRISPR-CAS برای ویرایش ، تنظیم و هدف قرار دادن ژنوم. نات. بیوتکنول. 32: 347-55. doi: 10. 1038/nbt. 2842

[6] ↑ Reed ، R. D. ، Papa ، R. ، Martin ، A. ، Hines ، H. M. ، Kronforst ، M. R. ، Chen ، R. ، et al. 2011. Optix تکامل همگرا مکرر از تقلید از الگوی بال پروانه را هدایت می کند. Science 333: 1137-41. doi: 10. 1126/Science. 1208227

اطلاعات مقاله

استناد

Prakash A (2018) دو طرف به یک بال: ژن که باعث می شود پروانه الگوهای بال بالا و پایین متفاوت باشد. جلو. ذهن جوان6:68. doi: 10. 3389/frym. 2018. 00068