Il CRISPR rivela gli interruttori genetici che comandano le ali delle farfalle

Un gene disegna i contorni e le forme, mentre un secondo gene riempie le ali di colore.

I motivi brillanti e intricati sulle ali delle farfalle — a partire da macchie inquietanti, che assomigliano a degli occhi, fino agli spruzzi cangianti di blu — sembrano dipinti da squadre di artisti. I ricercatori pensavano che una complessa combinazione di geni ne potesse essere responsabile, e che interagendo costruissero il modello finale. Ma due studi suggeriscono che sono solamente due i geni che giocano un ruolo di rilievo nel determinare le linee e i colori delle ali. Lo spegnimento di questi geni “master” altera il disegno, opacizzando i colori o rendendo gli insetti monocromatici.

“Gli studi pubblicati questa settimana su Proceedings of the National Academy of Sciences sfidano il vecchio paradigma dello sviluppo del modello alare”, dice Bob Reed, biologo evoluzionista della Cornell University di Ithaca, New York, e autore principale di una delle ricerche e co-autore dell’altra. La comprensione di come siano controllati i modelli delle ali fornisce agli scienziati una maggiore comprensione dell’evoluzione di quei tratti, che aiutano gli insetti ad evitare i predatori e ad attirare i compagni.

I due diversi geni sono complementari. “Sono geni della pittura specializzati, in un certo senso, nella creazione di forme“, dice Arnaud Martin, biologo dello sviluppo presso la George Washington University di Washington DC, e autore principale di uno degli studi.

“Questa è un’illustrazione visivamente avvincente della potenza degli studi genetici”, dice Rodolphe Barrangou, microbiologo della North Carolina State University di Raleigh. “Tutti possono relazionarsi con le farfalle, e questo illustra letteralmente come l’alterazione dei genomi con la tecnica CRISPR possa fornire spunti di riflessione sulla biologia”.

Colori sbiaditi

Precedenti studi che hanno usato la mappatura genetica convenzionale e i geni a intermittenza hanno dimostrato che i geni WntA e optix sono coinvolti nello sviluppo di schemi alari. Il lavoro ha dimostrato che i due geni sono “hotspot adattivi”, perché sono legati a cambiamenti fisici nell’organismo in risposta a presunti cambiamenti nell’ambiente.

I ricercatori hanno usato la tecnica CRISPR-Cas9 per modificare il WntA e l’optix in diverse specie di farfalle. Gli scienziati hanno acceso e spento ciascuno dei geni per dimostrare quanta influenza avevano su ciò che appariva sulle ali delle farfalle.

Il nuovo studio sul WntA ha coinvolto sette specie di farfalle, tra cui la carismatica farfalla monarca (Danaus plexippus). Nella maggior parte delle specie, quando WntA è stato spento, i colori sbiadivano, i motivi diventavano indistinguibili o scomparivano le intere macchie. Nelle monarche, ad esempio, il contorno nero profondo dei bordi delle ali assumeva un colore grigio. “Il WntA definisce confini e delimitazioni”, dice Martin. “Stende lo sfondo da riempire in seguito. Come se dipingesse o colorasse seguendo una pista di numeri. Si occupa di indicare i contorni”.

Lo studio di optix ha dimostrato che questo “gene pittore”, come lo chiama Reed, ha un ruolo importante nella pigmentazione. Il lavoro precedente aveva suggerito che era coinvolto in schemi di colore rosso e arancione, ma ci è voluto il CRISPR per confermarlo definitivamente, continua Reed.

Lui e i suoi colleghi hanno eliminato l’optix in quattro specie di farfalle. Parti delle ali — così come altre parti dei corpi delle farfalle — sono diventate nere o grigie. “Una è diventata interamente nera opaca”, dice Reed, citando un esempio di Agraulis vanillae. Più sorprendentemente, racconta Reed, nella Junonia coenia le ali hanno sviluppato macchie di blu brillante, iridescente, indicando un cambiamento strutturale oltre che nella pigmentazione.

Un ruolo maggiore

I risultati indicano che l’optix influisce sulla colorazione in un modo che va oltre la semplice pigmentazione. L’iridescenza è generata da alcune microscopiche caratteristiche strutturali delle squame alari, per cui l’optix sembra influenzare sia il pigmento che l’architettura delle ali delle farfalle. Il lavoro fornisce “prove emergenti per dimostrare che questo gene ha probabilmente giocato un ruolo enorme nell’ evoluzione dell’ala”, dice Reed.

Più i ricercatori studiano il WntA e l’optix, maggiore sarà la loro capacità di comprendere l’evoluzione delle farfalle. Questi geni probabilmente forniscono il quadro per gli adattamenti più importanti, tra cui la mimetizzazione — in cui gli organismi copiano caratteristiche dell’ambiente al fine di ingannare i predatori come meccanismo di difesa, dice Reed. Le farfalle monarca e viceré (Limenite archippus) sono esempi di mimetismo.

“È un bel passo in avanti e mostra la forza dell’ approccio CRISPR che sembra applicarsi a tutte le specie”, dice il neurobiologo di sviluppo Claude Desplan della New York University.

“Per noi che stiamo studiando le farfalle, organismi non tradizionali per un laboratorio, CRISPR sta aprendo un mondodi opportunità che non abbiamo mai avuto prima”, dice Martin.

Tradotoo in Italiano. Articolo originale: Nature

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