CRISPR 可调整蝴蝶翅膀颜色和结构 有望用于制造生物颜料

蝴蝶翅膀鳞片的色素与精妙的结构共同组成了斑斓的颜色与图案，帮助它们将自己伪装或吸引异性。在 7 月 3 日的《细胞报道》（Cell Reports）上，一篇文章向我们展示了仅仅修改几个色素基因是如何改变翅膀鳞片的颜色与形态的。

研究人员使用了 CRISPR/Cas9 技术对生活在东非的偏瞳蔽眼蝶（Bicyclus anynana，或称丛林斜眼褐蝶）的翅膀颜色进行修改，结果发现除颜色外，鳞片的表面结构与硬度也都发生了变化。研究结果表明，色素基因在翅膀鳞片的形成过程中具有双重作用。

图丨生活在非洲的偏瞳蔽眼蝶野生型（左）与黑色素通路 yellow 基因突变型（右）

“我们的研究表明，翅膀鳞片的颜色和结构是密切相关的，因为色素分子也会影响鳞片的结构，”本文高级作者、任职于新加坡国立大学理学院及耶鲁 - 新加坡国立大学联合学院的生物学家 Antónia Monteiro 说。“产生蝴蝶翅膀色素的黑色素通路的一些最终产物，在鳞片色素形成和鳞片形态上均发挥一定的作用。”

博士后研究员 Yuji Matsuoka 使用 CRISPR/Cas9 技术人为使偏瞳蔽眼蝶的 5 个基因失活，以深入了解每个基因在蝴蝶翅膀颜色中的作用。令人惊讶的是，这些突变也细微地改变了翅膀鳞片结构。当一种突变阻断多巴 - 黑色素生成时，额外的一层几丁质——一种外骨骼的纤维成分，水平地在翅膀鳞片的上表面形成。同时，当另一种阻断多巴胺 - 黑色素合成基因突变时，几丁质在鳞片上垂直地形成。

“一些蝴蝶并不产生相应的色素也可以拥有鲜艳的色彩，这是由于它们的鳞片上有一层几丁质薄膜，薄膜能够与射入的光线干涉，形成一种被称为‘结构性颜色’的阴影。”Monteiro 说。“反射自几丁质薄层上表面与下表面的光束会相互干涉，而产生颜色取决于薄膜的厚度。所以在这种情况下，我们的结果或许会很有趣。”

图丨通过删除黑色素合成中的 yellow 与 DDC 基因能够同时改变偏瞳蔽眼蝶翅膀鳞片的颜色与形态。

翅膀的颜色和图案对于蝴蝶躲避捕食者和向潜在配偶发出信号至关重要；如果实验室中引入的突变是自然发生的，它们可能会危及昆虫的生存和繁殖。“蝴蝶的颜色一直被认为是色素性或结构性的，但我们的工作确定了第一个可能会同时限制这两种颜色形成的进化相关候选基因。”Monteiro 说。

“翼鳞片的形态高度分化；然而，蝴蝶翅膀的发育背后的遗传和分子机制才刚刚开始被研究，而黑色素相关产物是在这一过程中可能发挥作用的多种分子之一，”Matsuoka 说。“接下来使用其他品种蝴蝶及其他的昆虫表皮成分的研究，将帮助我们更好、更深入地理解蝴蝶翅膀鳞片的进化和发育过程。”

图丨偏瞳蔽眼蝶翅膀鳞片上的眼状斑点颜色，随着黑色素合成相关基因突变而变化。Yellow 基因突变（左），野生型（中），及 DDC 基因突变（右）。

“如果我们研究清楚生物颜色的发育遗传学，未来的生物技术公司将能够通过生物工程，基于蝴蝶鳞片的原理，来生成生动的、明亮的色彩，而不是用金属通过纳米制造来生成它们，纳米技术目前仍是非常困难的事情，”Monteiro 说。“这些以几丁质为基础的颜色将是持久的、可生物降解的，并且对环境无害。”