チョウ目昆虫（Lepidopterans：チョウとガ）の翅（はね）の色彩パターンは多様性に富んでおり、多くの種ではメラニンの有無に関連した黒白または暗色と明色の変異が見られます。これらの翅の色彩パターンの変異は、自然選択と進化の代表的な例として広く知られています。象徴的な例としては、19世紀後半のイギリスにおける工業化と石炭燃焼による環境の煤煙化に適応し、黒化型の出現頻度が急増したイギリスのシロモンヤガ (Biston betularia) や、Heliconius 属のチョウに見られる擬態的な多様化などが挙げられます。これらのチョウ目昆虫におけるメラニンの有無を左右する生態学的要因はよく研究されていますが、色彩変化の遺伝的・発生的なメカニズムについては、これまで不明な点が多く残されていました。
チョウとガはどのようにして翅を黒く、または白く染めるのか？
過去20年間の研究により、メラニンによる翅の色彩変異の多くが、タンパク質をコードする遺伝子「cortex」を含む特定のゲノム領域によって制御されていることが明らかになりました。このことから、cortex 遺伝子がメラニン色素のスイッチであると考えられてきました。しかし、シンガポール、日本、アメリカの国際研究チームは、この仮説を覆す新たな発見をしました。
シンガポール国立大学（National University of Singapore: NUS）生物科学部のアントニア・モンテイロ教授（Antónia Monteiro）とシェン・ティエン博士（Shen Tian, PhD）率いる研究チームは、cortex 遺伝子自体がメラニン色素のスイッチではないことを突き止めました。実際の色彩スイッチは、これまで見過ごされていたマイクロRNA（microRNA: miRNA）であることが判明したのです。
この研究成果は、2024年12月5日付の Science 誌に掲載されました。論文のタイトルは「A microRNA Is the Effector Gene of a Classic Evolutionary Hotspot Locus（マイクロRNAは古典的な進化的ホットスポット遺伝子座のエフェクター遺伝子である）」です。
本研究の筆頭著者であるティエン博士（Shen Tian, PhD）は、「これまでの研究から、cortex 遺伝子が本当にメラニン色素のスイッチであるのか疑問が呈されていました。そのため、私はこのゲノム領域に含まれる他の要素、特にmiRNAの機能を調べることにしました」と述べています。ティエン博士は、NUSのモンテイロ教授の研究室で博士課程およびポスドク研究を行い、現在はアメリカのデューク大学でポスドク研究員として活動しています。
「miRNAは、ほとんどの遺伝子のようにタンパク質をコードすることはありませんが、標的遺伝子の発現を抑制することで、遺伝子調節において重要な役割を果たします。」と、ティエン博士は説明しています。
本研究において、ティエン博士と研究チームは、cortex 遺伝子の隣に位置するmiRNA「mir-193」を特定しました。このmir-193 を遺伝子編集ツールCRISPR-Cas9を用いて破壊すると、3種の異なる系統のチョウで黒色および暗色の翅の色が消失しました。この実験は、アフリカに生息するスキンタリング・ブッシュブラウン・バタフライ (Bicyclus anynana)、インドモンシロチョウ (Pieris canidia)、およびコモンモルモン・バタフライ (Papilio polytes) に対して行われました。一方、cortex や同じゲノム領域内の他の3つのタンパク質コード遺伝子を破壊しても、B. anynana の翅の色には影響がありませんでした。この結果から、チョウ目昆虫においてメラニン色素の主要な調節因子は cortex や他の遺伝子ではなく、mir-193 であることが明らかになりました。
さらに研究チームは、mir-193 が非コードRNA「ivory」から生成されること、そしてこのmiRNAが複数の色素形成関連遺伝子を直接抑制することで機能することを確認しました。興味深いことに、mir-193 の配列はチョウ目昆虫に限らず、動物界全体で深く保存されていることが判明しました。このため、研究チームはモデル生物であるショウジョウバエ（Drosophila）でも mir-193 の機能を検証しました。その結果、ショウジョウバエにおいても mir-193 がメラニン色素の制御に関与していることが明らかとなり、このmiRNAがチョウ目昆虫を超えて広範な生物において共通の役割を果たしている可能性が示されました。
モンテイロ教授は、「これまでの研究は、cortex 遺伝子がメラニン色素の制御に関与しているとする仮説に基づいていましたが、本研究はこの長年の仮説に新たな視点を提供します。私たちの研究は、タンパク質をコードしない小さなRNA分子がスイッチとして機能し、その発現の有無によって自然界の多様なメラニン色素変異が生じることを示しました」と述べています。
さらに、「本研究は、miRNAのようなアノテーションが不十分な非コードRNAを、遺伝型と表現型の関連研究で無視すべきではないことを示しています。こうした要素を見落とすことで、誤った結論に至る可能性があります」とモンテイロ教授は強調しました。
最後に、ティエン博士は「非コードRNAが表現型の多様化に果たす役割は、まだ十分に研究されていません。本研究は、miRNAのような非コードRNAがどのようにして生物の表現型多様性に寄与するのかを探求する、さらなる研究の必要性を提起するものです。」と述べています。
写真：モンシロチョウ
