중딩, 생명과학을 논문으로 만나다.
The key gene of color changing!
The article I'll be explaining is "Single master regulatory gene coordinates the evolution and development of butterfly color and iridescence". This article was shared by prof. Robert D. Reed and his team.
Scientists used to think that multiple genes were responsible for the wing color and patterns of butterflies by interacting with each other. The article itself states that dozens of genes were implicated in wing pattern development as well. But researches showed that only a few genes owned the role of actual, effective causation of the difference in wing color and patterns. The optix gene was one of them. However, the actual developmental function of optix was unclear. This article shows that the optix gene is responsible for the determination of chromatic coloration by repression of melanins and promotion of ommochromes, iridescence and wing scale structure in nymphalid butterflies (Also known as "four - footed butterflies"). The team used the CRISPR - cas9 technology to drive targeted deletion of the optix gene in four species of the Nymphalidae.
제가 이번에 설명할 논문은 "Single master regulatory gene coordinates the evolution and development of butterfly color and iridescence" 입니다. 이 논문은 로버트 리드 박사님과 그의 연구팀이 작성했습니다.
과학자들은 나비들의 날개 색과 무늬들을 결정하는 유전자들은 많으며, 그들이 만들어내는 형질들이 섞여져서 색과 무늬들이 나온다고 생각했었습니다. 논문 자체에서도 여러 유전자들이 날개 무늬와 관련 있음을 알려줍니다. 하지만 연구 결과, 몇몇개의 유전자들만이 실제로 나비 날개의 색 및 무늬 차이의 효과가 크게 나타나게 함을 알게되었습니다. optix (옵틱스) 유전자가 그들 중 하나입니다. 그러나, 옵틱스의 실질적인 기능은 불확실했습니다. 이 논문은 옵틱스 유전자가 멜라닌 억제 및 오모크롬 촉진으로 네발나비과 나비들의 날개 비늘 구조, 날개 색 및 무지개빛 (방향적 구조색)의 결정을 책임짐을 보여줍니다. 팀은 크리스퍼 - 카스9 기술을 이용해 4 종의 네발나비과 나비들의 옵틱스 유전자를 삭제했습니다.
The nymphalids are -
H. erato
Next, I'll explain some difficult terms.
Structural coloration: Production of color by microscopically structured surfaces that interfere with light.
Let's talk about H. erato first.
H. erato에 대해 먼저 말하겠습니다.
You can see that the red ommochrome has changed into black melanin.
빨간색 오모크롬이 검은색 멜라닌으로 바뀌었음을 볼 수 있습니다.
B shows the obvious color difference between the wild type (Abbreviated as "WT") and the mutant wing patterns. C, C’, C” shows the difference in wing scale morphology (Shape) and color. Each one is the zoomed in version of the previous one. C” shows that the WT wing scale has a pointed structure, while the mutant wing scale has the normal, relatively roundish structure. As mentioned in the article itself, the results showed that the optix gene acts as an "or" switch between ommochrome and melanin.
B는 야생형 ("WT"로 줄여 표기)과 돌연변이 날개 무늬들의 분명한 색 차이를 보여줍니다. C, C’, C”은 그들의 날개 비늘 모양과 색의 차이를 점점 확대해 보여줍니다. 여기서 C”은 WT 날개 비늘은 뾰족한 모양이며, 돌연변이 비늘은 상대적으로 둥글둥글한, 일반적인 모양을 가짐을 보여줍니다. 논문 자체에서도 말했듯이, 결과들이 옵틱스 유전자가 오모크롬과 멜라닌 사이에 작용하는 "또는" 스위치 역할을 함을 보여주었습니다.
Second is A. vanillae.
두번째는 A. vanillae 입니다.
Both dorsal and ventral wings show that the orange and brown ommochrome wing scales have turned into black and silver melanin wing scales. The green arrows on the ventral mutant wing show the WT wing scales that turned into silver patches. This was called the "presumptive clone boundaries". I assume it was called that way because the wing scales outside the "clone boundaries" have its while spots unchanged and has minor change in overall wing color (Dark gold-ish forewing top part and hindwing → Light brownish & black forewing top part and black hindwing).
등쪽과 배쪽 날개에 있는 주황색, 갈색 오모크롬 날개 비늘들이 검은색과 은색 멜라닌을 가진 날개 비늘로 바뀜을 보여줍니다. 돌연변이 나비의 배쪽 날개에 있는 초록색 화살표는 은색으로 변한 야생형 날개 비늘들을 보여줍니다. 이들은 "추정적 클론 경계"라 불렸습니다. 아마 돌연변이의 "클론 경계" 바깥의 날개 비늘들의 하얀색 점들은 바뀌지 않았으며, 전체적인 날개의 색은 변화가 거의 일어나지 않았기 때문으로 저는 생각합니다 (앞날개의 위쪽 어두운 금색 부분과 하얀색 점들을 제외한 뒷날개 전체 → 앞날개의 위쪽은 연한 갈색 & 검은색으로 변하고 뒷날개는 하얀색 점들을 제외하고 검은색이 되었음).
E shows the zoomed in detail of the knockout clone boundary and the switch of colors between red (WT) and black (Mutant) in the ventral forewing. F was a very interesting picture to see. Some of you reading this might've noticed the three black spots relatively darker than the overall black color of the wing by deletion of the optix gene of the mutant A. vanillae in the first picture that shows A. vanillae. Your eyes weren't wrong. The spots are darker than the usual "black" of the mutant A. vanillae wing. F shows the black spots with white arrows. Also, the black spots can be clearly seen on the ventral wing of the WT A. vanillae. The phenotypic trait of the WT A. vanillae wing didn't change in the case of the mutant A. vanillae wing.
Here's one more interesting fact: The parts of the A. vanillae wing that didn't change after optix gene knockout are all from the ventral wing. I assume these unchanged patterns are controlled by factors other than the optix gene. G and G’ shows the WT and mutant wing scale morphology from pointed to normal and the color change between WT and the mutant wing scale.
E는 배쪽 앞날개에 있는 클론 경계를 확대한 모습을 보여주며, 이에서 빨간색 (야생형)에서 검은색 (돌연변이)로 색이 바뀜을 알 수 있습니다. F는 매우 흥미로운 사진이이었습니다. 아마 이 글을 보시는 독자 여러분 중 몇분께서는 A. vanillae를 처음으로 보여주는 사진에서 optix 유전자의 삭제에 의한 돌연변이 A. vanillae의 검은색 배쪽 날개보다 더 어두운 3개의 검은색 점들을 보신 분들도 계실겁니다. 잘못 본 것이 아닙니다. 그 점들은 진짜로 돌연변이 A. vanillae의 검은색 배쪽 날개보다 더 어둡습니다. F에서는 그 점들을 하얀색 화살표로 표시했습니다. 또한, 그 검은 점들은 야생형 A. vanillae의 배쪽 날개에서 눈에 띄게 보입니다. 야생형 A. vanillae 날개의 표현형 형질이 돌연변이의 경우에서도 바뀌지 않은 것입니다.
흥미로운 점을 또 한가지 더 쓰겠습니다: A. vanillae의 optix 유전자가 삭제된 뒤에도 바뀌지 않은 부분들은 모두 배쪽 날개에 있다는 겁니다. 저는 이러한 변화가 없는 부분들은 optix 유전자 이외의 다른 인자들에 의해 조종되기 때문으로 예상합니다. G와 G’은 날개 비늘의 모양이 뾰족한 모양 (야생형)에서 둥근 일반적인 모양 (돌연변이)로 변화된 모습과 야생형과 돌연변이 날개 비늘의 색 변화를 보여줍니다.
Third is V. cardui.
세번째는 V. cardui 입니다.
There is a pretty noticeable difference in the mutant ventral wing compared to the previous two butterflies. We can see that the orange part of the WT ventral wing lost its color, meaning the loss of ommochrome has happened as usual. But unlike previous butterflies, hypermelanization (Formation of dark colors in an organism by increased concentration of melanin) was very low. This produced a mutant ventral wing with widespread white colors shown in the picture above.
돌연변이 나비의 배쪽 날개는 이전 나비들과 다른 특이점을 보여줍니다. 야생형 나비의 배쪽 날개의 주황색 부분들은 색을 잃었으므로, 늘 그랬듯이 오모크롬이 감소/사라졌음을 보여줍니다. 하지만 이전 나비들과 다르게 과멜라닌화 현상 (멜라닌 색소의 농도가 높아짐으로서 생물체한테서 어두운 색이 보이는 현상) 은 매우 적게 나타났습니다. 이는 위 사진과 같이 하얀색이 주로 퍼져있는 돌연변이 배쪽 날개를 만들게 되었습니다.
B shows melanization of the red/orange parts of the mutant butterflies. C and D shows the phenomenon of loss of ommochrome and low hypermelanization in the ventral forewing and hindwing, respectively.
B는 돌연변이 나비들의 빨간색/주황색 부분들이 멜라닌화되는 모습을 보여줍니다. C와 D는 배쪽 날개의 앞, 뒷날개의 오모크롬의 감소와 과멜라닌화 현상이 나타나지 않는 모습을 보여줍니다.
The low hypermelanization didn't happen to all V. cardui butterflies. The team was able to recover late stage pupal V. cardui wings that died before emergence. As shown in the picture above, the mutant late stage pupal ventral V. cardui wings showed hypermelanization in locations where the red ommochromes used to be. The team speculated that this variable strength of ventral wing pattern melanization reflected a dosage effect (The alteration of a phenotype by an increased dosage/amount of the product of a gene), where the phenotypes with stronger melanization representing biallelic optix deletion clones. However, there's no direct evidence to support the speculation. So the reason for the causation of this phenomenon is yet unknown.
하지만, 모든 V. cardui 나비들한테서 과멜라닌화 현상이 나타나지 않은 것은 아닙니다. 연구팀은 번데기 말기 시기에 죽은 V. cardui 의 날개를 얻는데에 성공했으며, 위 사진에서 보이듯이, 돌연변이 번데기 말기 시기 V. cardui 는 빨간색 오모크롬이 있던 자리에 과멜라닌화 현상이 나타났습니다. 연구팀은 이러한 배쪽 날개 무늬의 멜라닌화 정도의 차이가 유전자량 효과 (어떤 특정 유전자의 생성물의 양이 증가함으로서 표현형이 변화하는 효과) 를 나타내며, 멜라닌화 현상이 더 강하게 나타난 생물체들은 두 대립 형질 모두 돌연변이가 생겼다고 추측했습니다. 그러나, 이 추측을 뒷받침할만한 증거는 없기 때문에 이 현상이 나타나는 이유는 아직 미확인 상태입니다.
F shows the conversion of scale morphology from pointed (WT) to normal (Mutant).
F는 날개 비늘 모양이 뾰족한 모양 (야생형)에서 둥근, 일반적인 모양 (돌연변이)으로 변하는 모습을 보여줍니다.
Fourth is J. coenia.
네번째는 J. coenia 입니다.
The mutant wings of J. coenia has something unique compared to the previous three. It is structural iridescence. The wings on the very right of picture A are additional phenotypes of mutant J. coenia butterflies. As described in both pictures above, you can see strong, bluish iridescence on the dorsal discal spot and eyespot ring. The ventral wing has less iridescence compared to the dorsal wing. Instead, the ventral wing usually showed melanization of the orange patterns. Heavily "already melanized" WT patterns like the black tips of the forewing didn't go under iridescence.
돌연변이 J. coenia의 날개들은 이전 나비들과는 다른 특징을 보여줍니다. 눈에 띄는 푸른 방향적 구조색입니다. 사진 A의 맨 오른쪽에 있는 날개들은 돌연변이 J. coenia 나비들의 날개들의 추가적인 표현형을 보여줍니다. 위 두 사진에서 보이듯이, 돌연변이 나비의 등쪽 날개의 2/3 부분과 "눈알" 모양 주변 고리의 구조색이 변형되어 푸른색을 띰을 볼 수 있습니다. 배쪽 날개는 등쪽 날개에 비해 구조색이 덜 변형되었습니다. 그 대신에 배쪽 날개는 주황색 무늬들의 멜라닌화가 주로 일어났습니다. 앞날개의 검은 부분들과 같이 "이미 강하게 멜라닌화된" 야생형 나비의 날개 무늬들은 구조색이 푸른색으로 바뀌지 않았습니다.
C shows the mutant ventral J. coenia wing shown in the white dotted box in A. As you can see, the orange patterns in the WT ventral wing has undergone melanization.
C는 A에서 돌연변이 J. coenia의 배쪽 날개에 하얀색 점선으로 이루어진 공간에 보여진 부분을 확대해 보여주었습니다. 야생형 나비의 배쪽 날개에 있던 주황색 무늬들이 멜라닌화되었음을 볼 수 있습니다.
D shows detail of the iridescence on the ventral hindwing. The "bluish" parts are the parts that has iridescence.
D는 배쪽 뒷날개에 일어난 구조색의 변형을 확대해 보여줍니다. "푸른" 부분들이 다 구조색이 변형된 부분들입니다.
E shows the variations of the patterns in dorsal forewings. The left one shows iridescence while the right one shows melanization.
E는 등쪽 앞날개에 있는 무늬들의 종류를 보여줍니다. 왼쪽은 구조색이 바뀌어 푸른색을 띄고 오른쪽은 무늬들이 멜라닌화되었음을 보여줍니다.
F shows the difference in morphology of the wing scales between WT and the mutant. The results in J. coenia showed that the optix gene acts as a repressor of structural iridescence in this species.
F는 야생형과 돌연변이 나비들의 날개 비늘 모양의 차이를 보여줍니다. J. coenia에서 나온 결과들은 optix 유전자가 이 종의 나비들의 날개 비늘의 구조색 변형을 억제하는 기능을 가짐을 보여주었습니다.
The results from the four nymphalids showed that the optix gene acts as an "or" switch between ommochrome and melanin. But as seen in V. cardui, it may act as an "and" switch in some cases. The optix gene also has an influence to the structure of the wing scales by making them from pointed to normal, round scales.
4 종의 네발나비과 나비들에서 나온 결과들은 optix 유전자가 오모크롬과 멜라닌 사이에 "또는" 스위치의 역할을 가짐을 보여주었습니다. 하지만 V. cardui 에서 봤듯이, 어떤 경우에는 "그리고" 스위치의 역할을 가지기도 합니다. 또한, optix 유전자는 날개 비늘의 모양을 뾰족한 모양에서 둥근 모양으로 바꿔 날개 비늘 모양/구조에 영향을 줍니다.
If you look at the bottom wing set of picture A in the case of J. coenia, you'll see that I crossed out the "dorsal" part and fixed it to "ventral". When I was reading the article, I saw picture A having two wing sets both being dorsal wings. I had a bit of suspicion since the previous ones showed both dorsal and ventral wings together. Further reading made me conclude that the second set of wings are ventral. I sent an email to prof. Robert D. Reed and asked him for clarifications.
J. coenia 의 경우의 사진 A를 보면 제가 "dorsal" (등쪽) 이라 쓴 부분을 "ventral" (배쪽) 이라 고쳐썼음을 볼 수 있을 겁니다. 제가 이 논문을 읽고 있었을 때, 사진 A가 등쪽 날개 두 그룹을 가지고 있음을 보여주었습니다. 이전 나비들은 등쪽과 배쪽 날개 모두 보여주었기 때문에 저는 이에 대해 의심이 들었습니다. 계속 읽어본 결과, 저는 두번째/아래 날개 그룹은 배쪽 날개임을 확신했습니다. 그 뒤, Robert D. Reed 박사님께 이메일을 보내 이에 대해 여쭈어봤습니다.
Here is the email:
<원문>
Dear prof. Robert D. Reed
My name is Haein Kim. I am a 14 year old(Korean age) student who's interested in the field of Biology.
I read the article "Single master regulatory gene coordinates the evolution and development of butterfly color and iridescence".
First of all, I'd like to thank you for all the work you and your team did. The optix gene knockout results from the butterflies H. erato, A vanillae, V. cardui and J. coenia was very interesting to see. Thanks to this article, I now know that the optix gene has the role of determining wing scale color/pigmentation, scale morphology and structural iridescence. It has helped me learn a lot in my studying.
I have a question about the article said above. In Fig. 3A, which is in the third page, and is the picture file I sent, there are two sets of J. coenia wings. In the figure, both of the J. coenia wings are said to bedorsal wings. However, the explanation of the figure says "optix knockout results in loss of red ommochrome pigments, melanization, and gain of structural iridescence. The left-right comparisons shown are bilaterally asymmetric mosaic phenotypes from single individuals. Wings to the right are additional examples of mosaic mutants with clearly identifiable knockout clones that highlight iridescence in both dorsal and ventral wing surfaces". Note that the explanation includes the word 'ventral'. The explanation of Fig. 3B is "Details of mosaic defects in the asymmetric mutant shown in A, including strong induced iridescence in dorsal discal spot (DII) and eyespot ring". For Fig. 3C is "replacement of orange ommochrome with presumptive melanin in ventral discal spot (DII) red patterns". Also, one of the article's text says "Iridescence induction was less pronounced on ventral wing surfaces, although it clearly occurred (Fig. 3 A and D)".
This lead me to think that one of the two wing sets in Fig. 3A is ventral. Since the upper J. coenia wing set has strong induced bluish iridescence in the discal spot and eyespot ring, It is certain that the upper J. coenia wing set is dorsal. The bottom J. coenia wing set had its orange ommochrome replaced with darkish color - the presumptive melanin in its discal spot. This matches with the explanation of Fig. 3C, which indicates that the discal spot of the bottom J. coenia wing set is ventral. Therefore, I concluded that the bottom J. coenia wing set is indeed, ventral. However, Fig. 3A says that both are dorsal. I wonder if this was just a simple text error in Fig. 3A or I'm having the wrong idea/understanding.
I'd be very grateful if you reply with the answers that'll be the key to my question.
Thank you for reading this.
Regards, Haein Kim.
A few days later, he replied to me:
며칠 뒤, 그는 저에게 답장을 썼습니다:
<원문>
Dear Haein,
Thanks for your email and for reading our manuscript so carefully. Yes, there is an annotation error in panel 3A, where it says “J. coenia dorsal” above the bottom row of wings, it should say “J. coenia ventral”. I’m very sorry about that!
Just to clarify - for Panel 3A the images on the top row are all dorsal, the images on the bottom row are all ventral.
Cheers,
Bob
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Robert D. Reed
Associate Professor
Department of Ecology & Evolutionary Biology
Cornell University
Ithaca, NY 14853
I was very happy that he read and replied to my email. The reply email confirmed the error and therefore letting me fix the picture's annotation.
I wish this article helped students understand and learn biology better.
<11/17, 2017>
Haein Kim (김해인)
Credits:
News from nature about this article
Additional sites that helped me understand scientific terms used in the article:
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