Il vermiglio e il cinabro sono coinvolti nella biosintesi del pigmento ommocromo negli occhi ma non nelle ali delle farfalle Bicyclus anynana

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9368 (2023) Citare questo articolo

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Se lo stesso pigmento si trova in diversi tessuti di un corpo, è naturale supporre che le stesse vie metaboliche siano dispiegate in modo simile in ciascun tessuto. Qui mostriamo che questo non è il caso degli ommocromi, i pigmenti rossi e arancioni presenti negli occhi e nelle ali delle farfalle. Abbiamo testato l'espressione e la funzione del vermiglio e del cinabro, due geni noti delle mosche nella via dell'ommocromo, nello sviluppo dei pigmenti negli occhi e nelle ali delle farfalle Bicyclus anynana, entrambi i tratti hanno pigmenti rossastri/arancioni. Utilizzando l'ibridazione fluorescente in situ (HCR3.0) abbiamo localizzato l'espressione del vermiglio e del cinabro nel citoplasma delle cellule del pigmento negli ommatidi, ma non abbiamo osservato alcuna chiara espressione per nessuno dei geni sulle ali larvali e pupali. Abbiamo poi interrotto la funzione di entrambi i geni, utilizzando CRISPR-Cas9, che ha provocato la perdita di pigmento negli occhi ma non nelle ali. Utilizzando la cromatografia su strato sottile e la spettroscopia UV-vis abbiamo identificato la presenza di ommocromo e precursori dell'ommocromo nelle scaglie delle ali arancioni e nell'emolinfa delle pupe. Concludiamo che le ali sintetizzano localmente gli ommocromi, con enzimi non ancora identificati, oppure incorporano questi pigmenti sintetizzati altrove nell'emolinfa. Diverse vie metaboliche o meccanismi di trasporto, quindi, portano alla presenza di ommocromi nelle ali e negli occhi delle farfalle B. anynana.

Gli ommocromi sono pigmenti rossi/arancioni presenti in una varietà di specie che svolgono diverse funzioni. Sono presenti nelle cellule contenenti pigmenti di crostacei, ragni e insetti e svolgono un ruolo importante nella modellazione dei colori, nel filtraggio visivo, nella protezione UV e nella disintossicazione dal triptofano1. Gli ommocromi presenti nelle cellule pigmentate degli ommatidi degli insetti, l'unità ottica degli occhi degli insetti, svolgono un ruolo importante nella protezione delle cellule dei fotorecettori e nella pigmentazione complessiva degli occhi1,2,3. Gli ommocromi trovati nelle macchie di colore rosso e arancione nelle ali delle farfalle, come le farfalle Elymnias hypermnestra tinctoria4, Junonia coenia5,6 e Agraulis vanilla7, probabilmente svolgono un ruolo di attrazione del compagno o di segnalazione per evitare i predatori.

Gli ommocromi vengono prodotti attraverso la via della biosintesi dell'ommocromo, i cui enzimi sono stati studiati principalmente negli occhi di sistemi modello di insetti come Drosophila melanogaster8, Tribolium castaneum9, Aedes a Egypti10 e i lepidotteri Bombyx mori11 e Plutella xylostella12. In questo percorso, l'amminoacido triptofano viene convertito nei pigmenti xantommatina e diidro-xantommatina che possono variare dal giallo al rosso a seconda dell'ambiente riducente della cellula13. Nella Drosophila, quattro geni chiave che codificano per diversi enzimi in questo percorso includono vermiglio, chinurenina formamidasi (kfase), cinabro e cardinale12. Dopo che il triptofano è stato incorporato nelle cellule del pigmento dal presunto trasportatore del monocarbossilato karmoisina14, il vermiglio codifica la triptofano ossigenasi che converte il triptofano in formilchinurenina15. la chinurenina formamidasi (kfase) codifica un enzima omonimo che converte la formilchinurenina in chinurenina16. Il cinabro codifica la chinurenina 3-idrossilasi che converte la chinurenina in 3-idrossichinurenina12. Infine, cardinal codifica la fenossazinone sintetasi che catalizza la conversione della 3-idrossichinurenina in xantommatina (arancione), che può essere ulteriormente convertita in diidro-xantommatina (rosso), in condizioni chimiche riduttive13.

Alcuni degli stessi geni codificanti l'enzima ommocromo, i precursori del metabolita dell'ommocromo e un regolatore del fattore di trascrizione dell'ommocromo nell'occhio sono stati identificati anche nelle ali di alcune specie di farfalle ninfali. In Vanessa cardui, il triptofano è incorporato nei domini colorati di rosso e beige dell'ala17, e l'espressione sia del vermiglio che del cinabro è presente nelle aree pigmentate di colore rosso delle ali in via di sviluppo dell'Heliconius erato18. Studi successivi hanno identificato optix come uno dei fattori chiave di trascrizione che regolano la presenza di pigmenti ommocromici nelle farfalle19, perché la sua eliminazione ha provocato la perdita della pigmentazione dei colori rosso e arancione in diverse specie di farfalle, oltre a portare alla sottoregolazione dei pigmenti ommocromici. geni associati al percorso nelle ali20. Tuttavia, il ruolo diretto del vermiglio e del cinabro nella produzione dei pigmenti ommocromi nelle ali delle farfalle non è stato testato.