Kupu-Kupu Eyespots Menggunakan Kembali Jaringan Gen Yang Membentuk Pola Antena, Kaki, dan Sayap

Temuan menyoroti bahwa sifat kompleks baru, seperti bintik mata, berevolusi dari jaringan gen yang sudah membentuk pola sifat kompleks yang sudah ada sebelumnya di dalam tubuh.

Bintik mata, tanda melingkar dengan warna kontras yang ditemukan pada sayap banyak spesies kupu-kupu, digunakan oleh makhluk yang berkibar ini untuk mengintimidasi atau mengalihkan perhatian pemangsa. Sebuah tim ilmuwan yang dipimpin oleh Profesor Antónia Monteiro dari Universitas Nasional Singapura (NUS) melakukan penelitian untuk lebih memahami asal usul evolusi bintik mata ini, dan mereka menemukan bahwa bintik mata tampaknya berasal dari perekrutan jaringan gen yang kompleks. yang sudah beroperasi di dalam tubuh kupu-kupu untuk membangun antena, kaki, dan bahkan sayap.

IMAGESGambar: cdn.pixabay.com

“Studi baru ini membahas bagaimana sifat kompleks baru mungkin berasal. Sifat-sifat kompleks ini memerlukan masukan dari banyak gen yang berinteraksi untuk perkembangannya, dan sering digambarkan oleh mata vertebrata, atau flagel bakteri. Dalam penelitian kami, kami melihat bagaimana bintik mata kupu-kupu – contoh sifat kompleks – muncul dan menyimpulkan bahwa pendekatan rekrutmen jaringan diadopsi oleh kupu-kupu untuk pembuatan bintik mata. Kami juga telah mengidentifikasi jaringan gen spesifik yang kemungkinan direkrut,” kata Prof Monteiro, dari Departemen Ilmu Biologi NUS.

Temuan ini pertama kali dipublikasikan dalam jurnal Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA pada 16 Februari 2022.

Misteri bagaimana organisme dibangun

Memahami rekrutmen jaringan gen dapat didekati dengan membayangkan program komputer yang kompleks dengan ribuan baris kode, dengan setiap baris mewakili instruksi atau fungsi sederhana. Di dalam kode terdapat blok teks, diposisikan sedikit lebih jauh ke dalam dari margin, mewakili subrutin. Subrutin ini, atau kumpulan instruksi yang melakukan tugas tertentu, ditulis sekali dalam kode, tetapi dirujuk berulang kali oleh program saat dijalankan. Agar hal ini terjadi, setiap subrutin harus diberi nama unik, dan dirujuk dalam kode berikutnya. Sedikit kode yang kompleks sering berisi banyak subrutin, di mana setiap subrutin unik hanya ditulis satu kali secara penuh.

Logika subrutin yang sama tampaknya berlaku untuk bagaimana proses perkembangan dikodekan dalam DNA organisme . Dalam hal ini, subrutin disebut jaringan pengatur gen. Jaringan pengatur gen adalah rantai instruksi yang melibatkan transkripsi, atau pembungkaman, dari beberapa gen dalam urutan temporal. Organisme dibangun melalui penyebaran banyak jaringan pengatur gen seperti itu, dalam urutan yang tepat, selama perkembangan. Studi baru oleh tim NUS menemukan bahwa pengembangan bintik mata pada sayap kupu-kupu bergantung pada penyebaran jaringan pengatur gen yang sudah ada sebelumnya yang telah digunakan untuk membangun antena, kaki, dan sayap kupu-kupu tersebut.

Kehadiran subrutin ini telah dihipotesiskan sebelumnya, terutama karena gen yang sama terus ditemukan sebagaimana diekspresikan dan dikaitkan dengan perkembangan sifat baru. Namun, tidak jelas apakah ekspresi gen-gen ini dalam sifat baru mewakili baris kode genom baru yang masing-masing meminta gen yang sudah ada sebelumnya untuk diekspresikan, atau baris kode yang sudah ada dibaca sekali lagi, mirip dengan subrutin. dalam sebuah program komputer.

Menemukan peran rekrutmen jaringan gen dalam sifat-sifat baru

Untuk mengetahui hal ini, rekan postdoctoral NUS Dr. Heidi Connahs dan mahasiswa doktoral Mr. Suriya Murugesan menghapus urutan pengaturan DNA unik dalam genom, tetapi bukan gen itu sendiri, dan menunjukkan bahwa banyak sifat dipengaruhi oleh mutasi ini. Ini mendukung jaringan pengatur gen tunggal, atau subrutin, yang mendasari perkembangan semua sifat. Dua potong DNA yang ditargetkan adalah sakelar pengatur di sebelah gen Distal-less dan spalt . Perkembangan bintik mata, antena, kaki, dan sayap semuanya terganggu ketika daerah sekitar 390-700 pasangan basa ini terganggu. “Sungguh menakjubkan mengamati bagaimana sifat kompleks yang signifikan ini dipengaruhi oleh perubahan DNA yang sama”, kata Dr. Connahs.

Mr. Murugesan juga mengurutkan potongan-potongan jaringan yang mengembangkan bintik mata di sayap dan membandingkan set lengkap gen yang diekspresikan dengan yang diekspresikan dalam sifat lain. “Titik mata memiliki profil ekspresi gen yang paling dekat dengan antena, tetapi tidak dengan kaki atau jaringan sayap lainnya, seperti tepi sayap,” kata Mr. Murugesan. Rekan postdoctoral NUS, Dr. Yuji Matusoka, kemudian memeriksa tiga gen yang diekspresikan di kedua bintik mata dan antena dan menunjukkan bahwa hubungan regulasi di antara mereka identik, dengan satu gen penting dalam mengatur dua gen lainnya. “Ketika saya menemukan sepetak sel di daerah bintik mata tanpa ekspresi gen pertama, saya menyadari bahwa ekspresi dua gen lainnya juga hilang,” kata Dr. Matusoka.

“Eksperimen ini mengandalkan penemuan mutasi yang tepat mengenai sel pusat bintik mata setelah injeksi embrio yang membutuhkan banyak kesabaran,” kata Prof Monteiro.

Secara keseluruhan, penelitian ini menyoroti bahwa evolusi sifat kompleks baru, seperti bintik mata kupu-kupu, berlangsung melalui mutasi dalam kode genetik yang mengingat subrutin yang sudah ada sebelumnya dalam genom yang sudah digunakan untuk sifat kompleks lainnya seperti antena dan anggota tubuh lainnya. Jenis-jenis mutasi yang menghasilkan pemindahan jaringan gen yang sudah ada sebelumnya masih tersisa untuk ditemukan, tetapi mereka diperkirakan sebagai mutasi biasa yang, secara kebetulan, mengarah pada penarikan kembali sub-rutin genomik besar yang sudah ada sebelumnya yang melibatkan ratusan gen.

Langkah selanjutnya dalam penelitian ini adalah menguji lebih lanjut apakah sekuens regulasi yang sesuai dari kedua gen dari spesies kupu-kupu tanpa bintik mata ini mampu mengaktifkan ekspresi gen di wilayah bintik mata pada spesies berbintik mata. "Ini akan menjadi lapisan gula pada kue," kata Prof Monteiro, "karena lebih lanjut menegaskan bahwa urutan genetik dari subrutin lama akan dipanggil kembali ke tempat baru dalam tubuh pada spesies dengan mutasi penarikan."