摘要：鳞翅目昆虫 （蝴蝶和飞蛾） 的翅膀颜色图案种类繁多。许多鳞翅目物种的翅膀颜色图案都呈现出与黑色素有关的多态性。许多这些或亮或暗，或黑或白的翅膀颜色变化是自然选择和进化论的典型例子，包括生物教科书中的经典案例 - 英国桦尺蛾的工业黑化。
鳞翅目昆虫 （蝴蝶和飞蛾） 的翅膀颜色图案种类繁多。许多鳞翅目物种的翅膀颜色图案都呈现出与黑色素有关的多态性。许多这些或亮或暗，或黑或白的翅膀颜色变化是自然选择和进化论的典型例子，包括生物教科书中的经典案例 - 英国桦尺蛾的工业黑化。
英国工业革命之前，桦尺蛾大多为白色，以便与树干上白色的地衣融为一体。工业革命之后，随着污染的增加，煤烟杀死了地衣，熏黑了树干，导致白色的桦尺蛾暴露在黑色的环境中而更容易被鸟捕食。此时，一种黑色的桦尺蛾在种群中出现。由于在被煤烟污染的环境中黑色型更隐蔽更不易被捕食者发现，黑色型在短短的几十年时间迅速占领整个种群。在达尔文的物种起源一书中提到了自然选择理论：在不断变化的环境中，不同生物个体会表现出个体差异，其中适应环境的个体会被自然选择保留并繁衍后代，不适应环境的个体会被淘汰。桦尺蛾翅膀颜色的变化，正印证了自然选择的假说，成为了教科书上的经典案例。除桦尺蛾之外，还有许多相隔一亿年进化历程的蝴蝶与蛾都存在类似的翅膀颜色多态性，例如枯叶蛱蝶的叶形拟态，家蚕的黑白色型等。
过去的研究大多着重在阐明这些鳞翅目昆虫翅膀颜色多态性在生态与进化中的意义，其遗传和发育基础仍是一个谜。蝴蝶与蛾是如何将翅膀染成黑色或白色的？
在过去的二十年里，科学家们发现，绝大多数鳞翅目昆虫与黑色素相关的翅膀颜色变化是由同一个基因组区域控制的，这个基因组区域围绕在一个被称为‘cortex’的蛋白质编码基因周围。因此，一直以来科学家们认为cortex是此基因组区域中控制黑色素产生与否的关键基因。然而，由新加坡国立大学生物科学系的田申博士和Antónia Monteiro教授领导的来自新加坡、日本和美国的国际研究团队在Science杂志上发表了一项最新研究，题为：A microRNA is the effector gene of a classic evolutionary hotspot locus。研究发现cortex并不会影响黑色素的产生。相反，一个之前被忽视的微小 RNA (miRNA) 才是这个基因组区域控制黑色素形成的关键。
先前的研究中大量自相矛盾的证据让人怀疑cortex是否真的是控制黑色素形成的关键，这启发了田申博士测试该基因组区域中除cortex以外其他一些基因的功能，包括之前一直被忽略的非编码基因- miRNA”。miRNA 是小分子非编码 RNA，它们虽然不像大多数基因那样编码蛋白质，但它们通过抑制靶基因的表达在基因调控中发挥着重要作用”。值得一提的是，2024年诺贝尔生理学与医学奖的获得者正是miRNA的发现者，这也印证了这些小分子RNA在生物学中的重要意义。在这项研究中，田申博士带领的科研团队发现了一个紧邻cortex基因的 miRNA - mir-193。该团队使用基因编辑工具 CRISPR-Cas9 在三种深度分化的蝴蝶中敲除了mir-193。研究发现，敲除mir-193 抹去了了非洲偏瞳蔽眼蝶（ Bicyclus anynana） 、东方菜粉蝶（Pieris canidia）和玉带凤蝶（Papilio polytes）中黑色和深色的翅膀颜色，而敲除同一基因组区域中的包含cortex在内的四个蛋白质编码基因并不会影响翅膀颜色。这表明，mir-193，而非cortex或任何其他附近的蛋白质编码基因，是鳞翅目昆虫中控制黑色素翅膀颜色图案多态性的关键。
研究小组进一步证实，mir-193 是由被称为‘ivory’的长链非编码 RNA加工而成的，它通过直接抑制多个黑色素形成通路中的基因发挥作用。由于 mir-193 的序列不仅在鳞翅目昆虫中，而在整个动物界中都得到了高度保守，该团队还测试了mir-193在非鳞翅目昆虫-果蝇中的作用。令人惊讶的是，mir-193 在果蝇中同样影响黑色素形成。这表明 mir-193的功能即使在鳞翅目昆虫之外也高度保守。
之前的研究只关注cortex在黑色素形成中的作用，但这项研究对这一长期存在的假设彻底进行了转向。他们的研究证明了一个miRNA，即mir-193，而非先前认为的蛋白质编码基因cortex，是自然界中蝴蝶与蛾翅膀颜色变化的关键。这项研究表明在全基因组关联研究中，我们绝不能只关注蛋白质编码基因而忽视非编码 RNA（如 miRNA），否则会得出误导性的结论。
非编码 RNA 在表型多样化中的作用在很大程度上尚未得到充分研究。这项研究在一定程度上为人们了解非编码 RNA，如 miRNA，如何引导生物体形态多样性的进化奠定了基础。
一对交配中的偏瞳蔽眼蝶野生型（深色）和mir-193敲除个体（浅色）（图片版权：田申）
田申博士是该Science论文的第一作者和共同通讯作者，他曾是新加坡国立大学Antónia Monteiro教授实验室的博士及博士后研究员。田申博士现以Hargitt学者身份在美国杜克大学从事博士后研究。
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来源：翻翻聊科学