驚異的な発見：蝶の羽の色を制御するRNAメカニズム

蝶の羽の細胞内に含まれる遺伝暗号は、羽のパターンを形成する微細な鱗片の色の具体的な配置を指示しており、これはデジタル画像のピクセルが配置される様子に似ています。このコードを解読することは、私たちの体がどのように構築されるのかを理解するために重要です。研究室では、研究者らが遺伝子編集ツールを使用してこのコードを操作し、目に見える特徴、例えば羽の色にどのような影響があるかを観察することができます。

科学者らは長い間、タンパク質をコードする遺伝子がこれらのプロセスにとって重要であることを知っていました。この種の遺伝子は、どの鱗片がどの色素を生成するかを指示するタンパク質を生み出します。黒色の色素に関しても、このプロセスが同じであると考えられており、当初はタンパク質をコードする遺伝子が関与しているとされていました。しかし、新たな研究は異なる結論を示しています。

研究チームは、長鎖ノンコーディングRNA（lncRNA）分子を生成する遺伝子が、蝶の変態中に暗色の色素が生成される位置を制御していることを発見しました。ゲノム編集技術CRISPRを使用して、研究者らはこのlncRNA分子を生成する遺伝子を除去すると、蝶の黒色の鱗片が完全に失われることを示し、RNAの活動と暗色の色素の発達の間に明確な関連があることを明らかにしました。

「私たちの発見は驚異的でした」と、GWのポスドク研究員であるリヴラギ博士は語りました。
「このRNA分子は黒色の色素がどこに現れるかを直接制御しており、蝶の色パターンを予想外の形で形成しています。」

研究者らはさらに、羽の発生中にlncRNA分子がどのように機能するかを探りました。その活動を観察した結果、RNAが発現される場所と黒色の鱗片が形成される場所との間に完全な一致が見られました。

「私たちは、この遺伝子が黒色の鱗片が最終的に発生する場所で非常に正確にオンになることに驚かされました」と、GWの生物学准教授であるアルノー・マーティン博士（Arnaud Martin, PhD）は述べました。「これはまさに進化の筆のようなものであり、その効果から判断すると創造的でもあります。複数の種での結果を見ればそう感じます。」

研究者らは、この新たに発見されたlncRNAを、進化的に約8000万年前に分岐した他の蝶の種でも調査しました。これらの種では、lncRNAが暗色の色素パターンの新たな配置を制御するよう進化していたことが判明しました。

「複数の種におけるCRISPR変異体から得られた一貫した結果は、このRNA遺伝子が新しい発明ではなく、羽のパターン多様性を制御する重要な祖先メカニズムであることを示しています」と、プエルトリコ大学リオ・ピエドラス校の生物学教授であるリカルド・パパ博士（Riccardo Papa, PhD）は述べました。

「私たちや他の研究者らは、異なる蝶の種でこの遺伝的特徴を調べてきましたが、長翅蝶からモナーク蝶、ヒメアカタテハに至るまで、同じRNAが繰り返し使用されていることが驚くほど分かっています」と、GWのポスドク研究員で訪問研究者であるジョー・ハンリー博士（Joe Hanly, PhD）は語りました。「これは明らかに、羽のパターンの進化にとって重要な遺伝子です。生物学者たちがゲノムの暗黒物質に注意を払わなかったために、見逃していた可能性のある類似の現象が他にもあるのではないかと考えています。」

この発見は、遺伝子調節に関する従来の仮定に挑戦するだけでなく、動物の目に見える特徴がどのように進化するかを研究する新たな道を開きます。

この研究「A Long Noncoding RNA at the Cortex Locus Controls Adaptive Coloration in Butterflies（コルテックス座位における長鎖ノンコーディングRNAが蝶の適応的着色を制御する）」は、2024年8月30日にPNASに発表されました。この研究は、国立科学財団と生物科学・生物技術研究審議会の支援を受けて行われました。

写真：このヘリコニウス・エラトの片方の翼（右）に影響を及ぼす遺伝子編集が、その正常な色彩パターンを根本的に変えてしまった。(Credit：Luca Livraghi）

[News release] [PNAS abstract] [Related Science News article]