Гены красят кошку

Кошки — существа загадочные. Нельзя с уверенностью сказать, что мы знаем о них, а что нет. Вот, например, окраска. Ее генетику биологи исследовали не одно десятилетие, полученные данные сложились в четкую картину, которая не менялась много лет и нуждалась разве что в небольшом уточнении. И вот это самое уточнение в корне изменило представление ученых о генетической природе кошачьей полосатости.

Начнем, пожалуй, с небольшого экскурса в классическое котоведение. У многих кошек на шкурке есть рисунок — тэбби. Иногда его называют «табби», но «тэбби» ближе к английской транскрипции (tabby). Окраска тэбби представляет собой темный узор на более светлом фоне. Существуют три основных варианта рисунка: полосатый, мраморный и пятнистый (рис. 1).

1. Кошки бывают без узора (абиссинская окраска, агути, она же тиккированная), пятнистые, полосатые и мраморные

У полосатых кошек узкие вертикальные полосы образуют регулярный узор, напоминающий полосы тигра. Его так и называют — тигровый, но более распространено название «макрель» (в честь полосатой рыбы скумбрии). У мраморных кошек шкурка в разводах. У пятнистых она испещрена круглыми или овальными пятнами, четко отделенными друг от друга, а вдоль спины до кончика хвоста тянется полоска, которая в идеале тоже состоит из пятнышек. Темные участки меха образованы темными волосами, светлые — светлыми. Есть еще однотонные кошки без полос и пятен, каждая их шерстинка имеет две или три поперечные полоски разного цвета, по-английски ticking. Поэтому таких кошек называют тиккированными, а также абиссинскими (этот окрас характерен для кошек абиссинской породы) и агути. Около ста лет назад генетик из Пенсильвании Финеас Уайтинг заметил, что окраска агути доминирует над полосами и мраморным узором, в то время как «мрамор» рецессивен по отношению к полосам и пятнам. Он предположил, что за рисунок тэбби отвечает один ген Tabby, имеющий четыре аллеля, которые располагаются в порядке доминирования следующим образом: агути (T^a) > пятнистая (T^s) > макрель (T^M) > мраморная (t^b).

Судя по некоторым признакам, самая старая окраска тэбби — полосатая. Во всяком случае, на средневековых рисунках изображены в основном кошки макрель. Позже появились пятнистые, эту окраску как типичную для домашних котов описал в 1758 году Карл Линней. В середине ХХ века британский генетик Энтони Сирл сравнил черты кошачьих популяций в разных частях мира, где он бывал по своим профессорским делам. Он отметил, что в Лондоне мраморные и полосатые кошки встречаются с равной частотой, но агути крайне редки, в то время как в Малайе и Сингапуре он видел в равных количествах агути и полосатых кошек, но очень мало мраморных. Сирл решил, что, поскольку полосатые кошки есть везде, их предки имели тигровую окраску, а тиккированные и мраморные возникли после одомашнивания в разных частях мира. С другой стороны, предполагаемые дикие предки домашних кошек, лесной кот Felis silvestris и африканский дикий кот Felis lybica, оба пятнистые. В пятнах и одна из древнейших пород, которой, судя по изображениям, не меньше 3000 лет — египетский мау. Так что в этом вопросе ясности пока нет. Но если бы только в этом!

Итак, генетики знали, что существует ген Tabby, но не знали, где он расположен и какой белок кодирует. В 2010 году за решение этой задачи взялись американские исследователи под руководством Стефана О'Брайена, заведующего Лабораторией геномного разнообразия Национальной лаборатории исследования рака, профессора двенадцати университетов. В настоящее время он по приглашению российского правительства организует на средства мегагранта Центр геномной биоинформатики им. Ф.Г.Добржанского в СПбГУ. Когда ученые опубликовали результаты своих исследований («Genetics», 2010,184, 267—275; doi: 10.1534/genetics.109.109629), рухнуло вековое представление о моногенном наследовании тэбби.

Чтобы картировать ген, нужно ставить скрещивания. Ученые работали с животными, имеющими известные маркерные гены, в том числе с кошачьим поголовьем, которое содержит компания «Нестле Пурина» для испытания кормов. Исследователи скрещивали полосатых и пятнистых котов с мраморными кошками. Все животные были заведомо гомозиготными, то есть имели одинаковые аллели Tabby.

2. Скрещивания, поставленные сотрудниками Стефана О'Брайена. Все потомки полосатого кота и мраморной кошки полосатые (а). Дети пятнистого кота и мраморной кошки должны быть пятнистыми, как отец, но у них на шкурке рисунок из коротких разорванных полосок(б).Тиккированный кот гетерозиготен по Та, поэтому у него полоски на лапах и хвосте. У половины его потомков от мраморной кошки нет узора, как и должно быть, но аллель Ta тут ни при чем (в). Генотипы на рисунке указаны старые

Результат первого скрещивания оказался вполне традиционным. Все потомство полосатых котов T^MT^M и мраморных кошек t^bt^b должно иметь генотип T^Mt^b и полоски. Котята действительно уродились полосатыми (рис. 2а)

А дальше начались сюрпризы. От скрещивания пятнистого кота T^sT^s (чистопородный египетский мау) и трех мраморных кошек t^bt^b ученые ожидали пятнистых потомков T^st^b. Но среди семи котят не оказалось ни одного пятнистого, отметины на их шкурках представляли собой короткие, «ломаные» полоски (рис. 2б, 3а). Когда эти странные котята подросли, исследователи скрестили их с мраморными животными. Из тридцати пяти потомков 19 имели мраморную окраску, а 16 — различные варианты от пятнистой до полосатой (рис. 3 б). При моногенном наследовании таких результатов быть не может.

3. У потомков пятнистого кота и мраморной кошки на шкурке рисунок из разорванных полосок (а). При скрещивании рвано-полосатых гибридов с мраморными животными получается равное соотношение мраморных и немраморных котят, причем раскраска немраморных варьирует от полностью полосатых до абсолютно пятнистых (б)

В третьем эксперименте исследователи скрестили абиссинских гетерозиготных котов T^at^b с мраморными (t^bt^b) или полосатыми (T^MT^M) гомозиготными кошками. При моногенном наследовании и доминировании аллеля T^a половина котят должна иметь тиккированный окрас, так и получилось (рис. 2в). Однако к тому времени исследователи уже выяснили, что ген Tabby располагается на определенном участке кошачьей хромосомы А1, и установили генетические маркеры, тесно связанные с разными аллелями Tabby. Проанализировав последовательности ДНК тиккированных котят с помощью этих маркеров, ученые обнаружили, что T^a на самом деле не имеет к Tabby никакого отношения. Например, в геноме животного присутствуют два аллеля t^b, а шкурка у него не мраморная, а однотонная.

Посмотрите еще раз на рисунок 1. Исследователи предположили, что генов, определяющих рисунок тэбби или его отсутствие, по крайней мере три. Локус Tabby, для которого ввели новое сокращение, Ta, отвечает за тип рисунка, и аллель Ta^M (полоски) доминирует над Ta^b (мрамор). Второй ген модифицирует действие Tabby. Благодаря его работе полоски и разводы на кошачьей шубке превращаются в элегантные пятна. Авторы работы не исключают, что модификаторов может быть несколько. И наконец, третий ген, названный Ticked, определяет наличие или отсутствие рисунка, причем Ti^A (без рисунка, absence) доминирует над аллелем Ti⁺ (с рисунком). Кошки Ti^ATi^A не имеют узора, каковы бы ни были аллели Tabby, у животных Ti^ATi⁺ полосатые лапы и хвост, а тело с совсем бледными полосками или вообще без них. Генотип Ti⁺Ti⁺ не влияет на проявление узора тэбби. Исследователи локализовали Ticked на хромосоме В1 (кошачьи хромосомы имеют и номера, и буквенные обозначения, В1 — четвертая) и временно оставили в покое, сосредоточившись на генах, которые определяют тэбби. На этом этапе к группе профессора О'Брайена присоединились генетики Стэндфордского университета под руководством Грегори Барша. Работа, опубликованная в «Science» (2012, 337, 1536—1541; doi: 10.1126/science.1220893), позволила ответить на некоторые вопросы.

Прежде всего исследователи идентифицировали ген, отвечающий за регулярность рисунка. Он кодирует фермент трансмембранную аминопептидазу Q (Transmembrane Aminopeptidase Q) и потому получил новое название, не Tabby, а Taqpep. Ученые также картировали две точечные рецессивные мутации, которые превращают Ta^M в Ta^b и регулярные полосы в нерегулярные разводы. Все обследованные мраморные коты, а их было 58, оказались гомозиготны по одной из этих мутаций. Полосатые животные имели генотипы Ta^MTa^M или Ta^MTa^b. Оказалось, что одна из мутаций, обеспечивающих мраморную окраску, с очень высокой частотой встречается у однотонных котов Абиссинии, Бирмы и Гималаев, но аллель Ti^A гена Ticked маскирует у этих животных любой узор. В гене Taqpep есть и другие рецессивные мутации, которые вызывают у домашних кошек пятнистость, но довольно нетипичную (рис. 4). Похожий рисунок имеет черноногий кот (Felis nigripes). Возможно, своими пятнами он обязан той самой мутации.

4. Черноногий кот Felis nigripes. У него такие же пятна, как у атипично пятнистых домашних кошек. Может, и мутация у них одинаковая

Исследования Taqpep помогли прояснить ситуацию с узором на шкуре другой дикой кошки — гепарда Acinonyx jubatus. Подавляющее большинство гепардов пятнистые, а вот на небольшой территории близ Сахары живут королевские гепарды. Их пятна много крупнее, чем у обычных животных, а на спине появляются продольные черные полоски (см. фото). Одно время королевских гепардов даже выделяли в отдельный вид, но позже определили как мутантных особей. Исследователи нашли в гене Taqpep мутацию, превращающую обычных гепардов в королевских. У животных стандартного окраса, пойманных в Намибии, Танзании или Кении, мутантный аллель не обнаружен.

Королевские мраморные гепарды (справа) настолько отличаются от обычных пятнистых, что их даже когда-то выделяли в отдельный вид. А это просто мутантные особи.

Итак, большинство отклонений от регулярной окраски (мраморные разводы и некоторые виды пятен) вызваны мутациями в гене Taqpep. Он начинает работать еще в эмбриональной коже. Первый признак окраски тэбби проявляется у семинедельных кошачьих эмбрионов, когда у них развиваются волосяные фолликулы и над поверхностью эпидермиса пробиваются волоски. На этой стадии темные и светлые элементы окраски тэбби четко видны, но различаются они только соотношением пигментов. Окраску шерсти определяют черно-коричневый эумеланин и желтый феомеланин. Они синтезируются в специальных клетках, меланоцитах, которые находятся в волосяной луковице и оттуда распределяются вдоль волоса. Плотность и архитектура волосяных фолликулов, а также количество меланоцитов в темных и светлых зонах кошачьих эмбрионов одинаковы, просто в темной меланоциты синтезируют больше эумеланина. У гепардов черные и желтые участки также не отличаются по количеству пигментных клеток и плотности волосяных фоликуллов. Очевидно, окраска тэбби возникает не из-за разницы в типах клеток, а потому что клетки в разных зонах синтезируют разные белки. Стало быть, надо разбираться, что это за белки.

Исследователи взяли пробы кожи гепарда из черной и желтой областей и определили активность 14 014 различных генов. Оказалось, что в черной области по сравнению с желтой увеличена активность 60 генов, семь из которых работают только в меланоцитах, причем четыре стимулируют синтез эумеланина, а еще один, Edn3, кодирует паракринный гормон эндотелин, который, в частности, способствует делению и дифференцировке меланоцитов. Ученые предположили, что эндотелин регулирует синтез пигмента в светлых и темных областях.

 

Это предположение проверили на мышах — классическом объекте для исследования работы пигментных клеток. Есть такая линия A^y — меланоциты этих мышей синтезируют только феомеланин, и шкурка у них желтого цвета. Но трансгенные животные, которым ввели Edn3, потемнели, их шерсть приобрела темно-коричневый цвет, а в меланоцитах усиленно заработали те же специфические гены, вызывающие синтез эумеланина, что и в черных областях кожи гепардов (рис. 5). Следовательно, эндотелин действительно регулирует синтез пигмента. Однако эту же функцию выполняет и другой белок, Agouti. (К гену Ticked он не имеет никакого отношения и обнаружен задолго до того, как исследователи узнали о существовании этого гена.)

5. Под действием гена Edn3 шкурка желтой мыши (слева) превращается в коричневую (справа)

Согласно классическим представлениям, в формировании окраски волоса участвует агути-меланокортиновая рецепторная система. На мембране меланоцита находится клеточный рецептор меланокортина (Mc1r), который обеспечивает синтез преимущественно эумеланина. Мутация по гену Mc1r всегда приводит к синтезу феомеланина и желтизне. Работу рецептора регулирует белок Agouti, сигнальная молекула, выделяемая кожными железами. Когда она связывается с Mc1r, меланоциты синтезируют феомеланин, волос получается желтый. Если синтез Agouti или его действие во время роста и регенерации волос подавлены, клетки синтезируют эумеланин и вырастает темная шерсть. В соответствии с этой гипотезой, темные полосы тэбби представляют собой участки, на которых Agouti по каким-то причинам не взаимодействует с меланокортиновым рецептором.

Когда исследователи обнаружили эндотелин, они скорректировали эту схему и предложили механизм взаимодействия Agouti и эндотелина. Agouti взаимодействует с рецептором Mc1r, а эндотелин — с другим рецептором меланоцитов, Ednrb. Оба они принадлежат к знаменитому семейству рецепторов, сопряженных с G-белком, за исследования которых была присуждена Нобелевская премия по химии 2012 года (см. «Химию и жизнь», 2012, № 11). Регулируя синтез пигмента, они используют один и тот же белок-посредник G и конкурируют за него. Когда эндотелина много, его рецептор Ednrb перетягивает белок G к себе и в результате возрастает активность генов, стимулирующих синтез черного пигмента (рис. 6a). При недостатке Edn3 основная часть белка G достается меланокортиновому рецептору, и растет желтый волос.

6. Взаимодействие эндотелина и белка Agouti регулирует синтез пигментов в меланоцитах (а). Сочетания аллелей Agouti и меланокортина (а, Mc1r) образуют различные узоры на кошачьей шкуре (б)

Рыжую окраску у кошек определяют и другие гены, один из самых известных — Orange, локализованный в половой Х-хромосоме (см. «Химию и жизнь», 2010, № 7). Продукты этого гена подавляют синтез эумеланина. Но генетика окраски и взаимодействие множества участвующих генов — отдельная тема.

Исследователи также объяснили механизм образования нескольких типов кошачьей окраски взаимодействием генов Agouti и Mc1r (рис. 6 б). Если Agouti не функционален, гены, стимулирующие синтез эумеланина, всегда работают на полную мощность, светлых областей на шкурке нет, она темная, и узор на этом фоне едва угадывается. Такая окраска называется «призрачный» тэбби. Очень красивы двойные мутанты по генам Agouti и Mc1r. В этом случае ничто не препятствует синтезу феомеланина даже в темных участках, и получается рыжий, или янтарный тэбби — темно-рыжий узор на нежно-оранжевом фоне (рис. 7).

7. «Призрачный» тэбби (сверху) и рыжий тэбби

Ученые полагают, что взаимодействие эндотелинового и меланокортинового путей может объяснить и более сложные фенотипы, в том числе пятна и полосы разного цвета и разную окраску живота и спины, как у леопардов, ягуаров и тигров.

И почему, спрашивается, генетиков так влечет к кошкам? Причин несколько. Знание генетики окраски помогает успешной селекции, а разведение и создание новых пород кошек — очень прибыльное занятие. Кроме того, в ходе этой селекции специалисты в который раз убеждаются, что гены окраски влияют и на поведение животного. Вот, например, в 80-х годах прошлого века американцы начали выведение новой породы домашних кошек — тойгер (игрушечный тигр). Это рыжий зверь с черными полосами, похожий на тигра, но размером с кота. Расположение отметин у тойгера несколько иное, чем у обычной полосатой кошки, и поведение нетипичное — мини-тигры очень любят купаться.

И вообще, мы же хотим все знать, а домашние кошки представляют собой уникальную модель для исследования генетики отметин на шкурке. Периодический рисунок на окрашенном фоне встречается у самых разных видов млекопитающих: бурундук полосатый, жираф сетчатый, гиена пятнистая, у лемуров на хвосте полосы, у кошачьих — пятна и полосы. А зебра, зебру не забудьте! Обычно биологию пигментных клеток исследуют на лабораторных мышах, но, увы, среди них нет полосатых и пятнистых линий. Есть, правда, полосатая африканская мышь Rhabdomys pumilio, близкая родственница лабораторных мышей. У нее действительно четкие продольные полосы на спинке, но для генетических исследований она не годится, поскольку совсем не изучена и не приспособлена к жизни в виварии. Поэтому биологи работают с кошками, не без удовольствия, надо сказать.

Очень возможно, что у всех видов млекопитающих, имеющих разводы и полосы, действует тот же двухступенчатый механизм формирования окраски тэбби, который генетики предложили для домашней кошки. На первом этапе, еще в ходе эмбрионального развития, Taqpep намечает контуры узора и его тип (регулярные полосы или расположенные случайным образом разводы), а их окраска и цвет фона зависят от способности клеток волосяных фолликулов поддерживать высокий или низкий уровень продукции эндотелина в последующих волосяных циклах на протяжении жизни животного. Кошкина шубка — как книжка-раскраска: Taqpep намечает контуры рисунка, а Edn3 его раскрашивает в разные цвета.