In de natuur zijn er maar weinig wezens die zo schitterend zijn als vlinders. Hun vleugels, levendige tapijten van vormen en kleuren, vertegenwoordigen een van de meest buitengewone experimenten van de evolutie.
Wat veroorzaakt deze visuele diversiteit? Tot nu toe leek het antwoord verborgen in de complexiteit van vele genen. De wetenschap heeft echter een onverwachte wending genomen: één enkel gen kan voldoende zijn om dit kleurenspektakel en deze overlevingsstrategieën te creëren.
Een recente doorbraak, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, onthulde hoe genetische variabiliteit de visuele diversiteit van vlinders stimuleert. Het mysterie over de manier waarop één enkel gen het uiterlijk van de vleugels bepaalt, werd opgehelderd door een studie van de Universiteit van Chicago.
Onderzoekers hebben vastgesteld dat het supergen doublesex ervoor zorgt dat de soort Papilio alphenor de kleurpatronen van giftige vlinders imiteert. Deze strategie stelt hem in staat roofdieren te ontwijken en levert nieuwe informatie op over de genetische mechanismen die de biodiversiteit in stand houden.
Doublesex en de kunst van het mimetisme
Het team, onder leiding van Nicholas VanKuren en Marcus Kronforst, wilde begrijpen hoe dit supergen zo’n grote diversiteit aan kleurpatronen op de vleugels kan veroorzaken.
VanKuren verklaarde aan de Universiteit van Chicago: “Mannetjes en vrouwtjes van deze vlinders kunnen totaal verschillende kleurpatronen vertonen met vrijwel hetzelfde genoom, maar op de een of andere manier codeert één enkel stukje DNA voor die verschillende fenotypes”. De ontdekking is essentieel om te begrijpen hoe kleine genetische variaties opmerkelijke visuele aanpassingen teweegbrengen.
Om de rol van doublesex te begrijpen, is het nuttig om uit te leggen wat een supergen is. Over het algemeen is een supergen een groep naburige genen op een chromosoom die als een blok worden overgeërfd en die gezamenlijk complexe eigenschappen zoals kleurpatronen of paringsgedrag bepalen.
Een eenvoudige manier om dit te begrijpen is door je een orkest voor te stellen, waar normaal gesproken de deelname van veel muzikanten (genen) nodig is om een complexe melodie (het kenmerk) te creëren. Bij Papilio alphenor fungeert doublesex echter als een solist die in staat is om het hele stuk in zijn eentje te spelen.
Bij Papilio alphenor vormt doublesex echter een uitzondering: het is een enkel gen dat in staat is om een reeks patronen op de vleugels te genereren, alleen bij vrouwtjes. Zij vertonen een polymorfisme dat exclusief is voor het vrouwelijke geslacht, waarbij ze oranje vlekken aan hun witte vlekken toevoegen om giftige soorten na te bootsen, terwijl de mannetjes het standaard zwart-witte patroon behouden.
Marcus Kronforst, hoogleraar Ecologie en Evolutie, zei tegen de Universiteit van Chicago: “Dit tot vrouwtjes beperkte polymorfisme bij Papilio alphenor is een klassiek voorbeeld van een supergen”. Het team raakte geïnteresseerd in de moleculaire oorsprong van dit fenomeen, dat tot nu toe moeilijk te benaderen was.
Ontdekkingen in de genetica van de vlinder
De doorbraak van het team was gebaseerd op instrumenten zoals genoomsequencing en genetische editie met CRISPR. Ze manipuleerden de activiteit van doublesex en analyseerden de reeks genetische gebeurtenissen die tot patroonveranderingen leiden.
Wat ze ontdekten overtrof hun verwachtingen: de verschillen tussen beide allelen van doublesex lagen niet in de structuur van het eiwit, maar kwamen voort uit de werking van cis-regulerende elementen, niet-coderende DNA-segmenten in de buurt van het gen die de expressie ervan wijzigen.
Het nieuwe gevonden allel bevatte zes extra cis-regulerende elementen waarvan de functie afhankelijk was van het doublesex-eiwit, die samen het gen op een andere manier activeerden en het mimetische patroon produceerden. Zo controleert doublesex zijn eigen expressie, een onverwacht fenomeen in de evolutionaire ontwikkeling van de soort.
De studie bevestigde dat het nieuwe doublesex-allel de kleurpatronen reguleert door zijn invloed op andere genen die betrokken zijn bij de lichamelijke ontwikkeling en de vorming van de vleugels bij vlinders.
VanKuren benadrukte aan de Universiteit van Chicago: “Deze resultaten zijn zeer stimulerend, omdat we voor het eerst weten in welk deel van het genoom we moeten zoeken naar deze genetische schakelaars die de kleurpatronen activeren”. Hij voegde eraan toe dat dit mechanisme zich ook voordoet bij verwante soorten, waar doublesex ook de mimiek van de vrouwtjes regelt.
De gevolgen van deze ontdekking reiken verder dan één enkele soort. Kronforst wees de Universiteit van Chicago erop dat deze wetenschappelijke vooruitgang nieuwe vragen oproept over hoe supergenen vanuit hetzelfde genoom zo’n grote diversiteit aan vormen kunnen voortbrengen.
Vlinders versterken dankzij hun buitengewone verscheidenheid aan soorten en kleurpatronen hun rol als studiemodel voor het onderzoeken van de oorsprong en evolutie van genetische variatie.
De enorme biodiversiteit van deze genetische systemen biedt de wetenschap een krachtig instrument om het ontstaan van genetische variatie en de mechanismen die de evolutie voeden te onderzoeken. Deze doorbraak opent nieuwe wegen om de rol van individuele genen in de visuele aanpassing en evolutie van soorten te begrijpen
