Гени фарбують кішку
Кішки - істоти загадкові. Не можна з упевненістю сказати, що ми знаємо про них, а що ні. Ось, наприклад, забарвлення. Її генетику біологи досліджували не одне десятиліття, отримані дані склалися в чітку картину, яка не змінювалася багато років і потребувала хіба що в невеликому уточненні. І ось це саме уточнення докорінно змінило уявлення вчених про генетичну природу котячої смугастості.
Почнемо, мабуть, з невеликого екскурсу в класичне Котознавство. У багатьох кішок на шкірці є малюнок - теббі. Іноді його називають «таббі», але «теббі» ближче до англійської транскрипції (tabby). Забарвлення теббі є темний візерунок на більш світлому тлі. Існують три основні варіанти малюнка: смугастий, мармуровий і плямистий (рис. 1).
Рис.1. Кішки бувають без візерунка (абиссинская забарвлення, агуті, вона ж тіккірованная), плямисті, смугасті і мармурові
У смугастих кішок вузькі вертикальні смуги утворюють регулярний узор, що нагадує смуги тигра. Його так і називають - тигровий, але більш поширена назва «макрель» (на честь смугастої риби скумбрії). У мармурових кішок шкурка в розлученнях. У плямистих вона поцяткована круглими або овальними плямами, чітко відокремленими один від одного, а вздовж спини до кінчика хвоста тягнеться смужка, яка в ідеалі теж складається з цяток. Темні ділянки хутра утворені темним волоссям, світлі - світлими. Є ще однотонні кішки без смуг і плям, кожна їх шерстинка має дві або три поперечні смужки різного кольору, по-англійськи ticking. Тому таких кішок називають тіккірованнимі, а також абіссінськими (це забарвлення характерний для кішок абіссінської породи) і агуті. Близько ста років тому генетик з Пенсільванії Фінеас Уайтінг зауважив, що забарвлення агуті домінує над смугами і мармуровим візерунком, в той час як «мармур» рецессивен по відношенню до смуг і плям. Він припустив, що за малюнок теббі відповідає один ген Tabby, що має чотири алелі, які розташовуються в порядку домінування в такий спосіб: агуті (Ta)> плямиста (Ts)> макрель (TM)> мармурова (tb).
Мал. 2. Схрещування, поставлені співробітниками Стефана О'Брайена. Всі нащадки смугастого кота і мармурової кішки смугасті (а). Діти плямистого кота і мармурової кішки повинні бути плямистими, як батько, але у них на шкірці малюнок з короткіхразорванн'а смужок (б). Тіккірованний кіт гетерозиготен по 1а, тому у нього смужки на лапах і хвості. У половини його нащадків від мармурової кішки немає візерунка, як і повинно бути, але аллель T "тут ні при чому (в). Генотипи на малюнку вказані старі
Судячи з деяких ознак, найстаріша забарвлення теббі - смугаста. У всякому разі, на середньовічних малюнках зображені в основному кішки макрель. Пізніше з'явилися плямисті, цю забарвлення як типову для домашніх котів описав в 1758 році Карл Лінней. В середині ХХ століття британський генетик Ентоні Сирл порівняв риси котячих популяцій в різних частинах світу, де він бував за своїми професорським справах. Він зазначив, що в Лондоні мармурові і смугасті кішки зустрічаються з однаковою частотою, але агуті вкрай рідкісні, в той час як в Малайї і Сінгапурі він бачив в рівних кількостях агуті і смугастих кішок, але дуже мало мармурових. Сирл вирішив, що, оскільки смугасті кішки є скрізь, їх предки мали тигрову забарвлення, а тіккірованние і мармурові виникли після одомашнення в різних частинах світу. З іншого боку, передбачувані дикі предки домашніх кішок, лісовий кіт Felis silvestris і африканський дикий кіт Felis lybica. обидва плямисті. У плямах і одна з найдавніших порід, якої, судячи по зображеннях, не менше 3000 років - єгипетський мау. Так що в цьому питанні ясності поки немає. Але якби тільки в цьому!
Мал. 3. У нащадків плямистого кота і мармурової кішки на шкірці малюнок з розірваних смужок (а). При схрещуванні рваною-смугастих гібридів з мармуровими тваринами виходить рівне співвідношення мармурових і немраморних кошенят, причому розфарбування немраморних варіює від повністю смугастих до абсолютно плямистих (б)
Мал. 4. чорноногих кіт Felis nigripes. У нього такі ж плями, як у атиповий плямистих домашніх кішок. Може, і мутація у них однакова?
Отже, більшість відхилень від регулярної забарвлення (мармурові розводи і деякі види плям) викликані мутаціями в гені Taqpep. Він починає працювати ще в ембріональній шкірі. Перша ознака забарвлення теббі проявляється у семитижневих котячих ембріонів, коли у них розвиваються волосяні фолікули і над поверхнею епідермісу пробиваються волоски. На цій стадії темні і світлі елементи забарвлення теббі чітко видно, але розрізняються вони тільки співвідношенням пігментів. Забарвлення шерсті визначають чорно-коричневий еумеланін і жовтий феомеланин. Вони синтезуються в спеціальних клітинах, меланоцитах, які знаходяться в волосяній цибулині і звідти розподіляються вздовж волоса. Щільність і архітектура волосяних фолікулів, а також кількість меланоцитів в темних і світлих зонах котячих ембріонів однакові, просто в темній меланоцити синтезують більше еумеланіна. У гепардів чорні і жовті ділянки також не відрізняються за кількістю пігментних клітин і щільності волосяних фолікуллов. Очевидно, забарвлення теббі виникає не через різницю в типах клітин, а тому що клітини в різних зонах синтезують різні білки. Стало бути, треба розбиратися, що це за білки.
Дослідники взяли проби шкіри гепарда з чорної і жовтої областей і визначили активність 14 014 різних генів. Виявилося, що в чорній області в порівнянні з жовтою збільшена активність 60 генів, сім з яких працюють лише в меланоцитах, причому чотири стимулюють синтез еумеланіна, а ще один, Edn3, кодує паракрінний гормон ендотелін, який, зокрема, сприяє поділу і диференціювання меланоцитів . Вчені припустили, що ендотелін регулює синтез пігменту в світлих і темних областях.
Це припущення перевірили на мишах - класичному об'єкті для дослідження роботи пігментних клітин. Є така лінія Ay - меланоцити цих мишей синтезують тільки феомеланин, і шкурка у них жовтого кольору. Але трансгенні тварини, яким ввели Edn3, потемніли, їх шерсть придбала темно-коричневий колір, а в меланоцитах посилено заробили ті ж специфічні гени, що викликають синтез еумеланіна, що і в чорних областях шкіри гепардів (рис. 5). Отже, ендотелін дійсно регулює синтез пігменту. Однак цю ж функцію виконує і інший білок, Agouti. (До гену Ticked він не має ніякого відношення і виявлений задовго до того, як дослідники дізналися про існування цього гена.)
Мал. 5. Під дією гена Edn3 шкурка жовтої миші (ліворуч) перетворюється в коричневу (праворуч)
Мал. 6. Взаємодія ендотеліну і білка Agouti регулює синтез пігментів в меланоцитах (а). Сполучення алелей Agouti і меланокортин (а, Mc1r) утворюють різні візерунки на котячій шкурі (б)
Руде забарвлення у кішок визначають і інші гени, один з найвідоміших - Orange. локалізований в статевий Х-хромосомі. Продукти цього гена пригнічують синтез еумеланіна. Але генетика забарвлення і взаємодія велику кількість учасників генів - окрема тема.
Дослідники також пояснили механізм утворення декількох типів котячої забарвлення взаємодією генів Agouti і Mclr (рис. 6 б). Якщо Agouti не функціональний, гени, що стимулюють синтез еумеланіна, завжди працюють на повну потужність, світлих областей на шкірці немає, вона темна, і візерунок на цьому тлі ледь вгадується. Таке забарвлення називається «примарний» теббі. Дуже гарні подвійні мутанти по генам Agouti і Mclr. В цьому випадку ніщо не перешкоджає синтезу феомеланина навіть в темних ділянках, і виходить рудий, або бурштиновий теббі - темно-рудий візерунок на ніжно-помаранчевому тлі (рис. 7). Вчені вважають, що взаємодія ендотелінових і меланокортинового шляхів може пояснити і більш складні фенотип, в тому числі плями і смуги різного кольору і різного забарвлення живота і спини, як у леопардів, ягуарів і тигрів.
Мал. 7. «Примарний» теббі (зверху) і рудий теббі
І чому, питається, генетиків так тягне до кішок? Причин кілька. Знання генетики забарвлення допомагає успішної селекції, а розведення і створення нових порід кішок - дуже прибуткове заняття. Крім того, в ході цієї селекції фахівці вкотре переконуються, що гени забарвлення впливають і на поведінку тварини. Ось, наприклад, в 80-х роках минулого століття американці почали виведення нової породи домашніх кішок - тойгер (іграшковий тигр). Це рудий звір з чорними смугами, схожий на тигра, але розміром з кота. Розташування відмітин у тойгера дещо інше, ніж у звичайній смугастій кішки, і поведінка нетипове - міні-тигри дуже люблять купатися.
І взагалі, ми ж хочемо все знати, а домашні кішки представляють собою унікальну модель для дослідження генетики відмітин на шкірці. Періодичний малюнок на пофарбованому тлі зустрічається у самих різних видів ссавців: бурундук смугастий, жираф сітчастий, гієна плямиста, у лемурів на хвості смуги, у котячих - плями і смуги. А зебра, зебру не забудьте! Зазвичай біологію пігментних клітин досліджують на лабораторних мишах, але, на жаль, серед них немає смугастих і плямистих ліній. Є, правда, смугаста африканська миша Rhabdomys pumilio. близька родичка лабораторних мишей. У неї дійсно чіткі поздовжні смуги на спинці, але для генетичних досліджень вона не годиться, оскільки зовсім не вивчена і не пристосована до життя в віварії. Тому біологи працюють з кішками, не без задоволення, треба сказати.
Дуже можливо, що у всіх видів ссавців, що мають розлучення і смуги, діє той же двоступеневий механізм формування забарвлення теббі, який генетики запропонували для домашньої кішки. На першому етапі, ще в ході ембріонального розвитку, Taqpep намічає контури візерунка і його тип (регулярні смуги або розташовані випадковим чином розлучення), а їх забарвлення і колір фону залежать від здатності клітин волосяних фолікулів підтримувати високий або низький рівень продукції ендотеліну в наступних волосяних циклах протягом життя тварини. Кошкіна шубка - як книжка-розмальовка: Taqpep намічає контури малюнка, а Edn3 його розфарбовує в різні кольори.
Н.Л.Резнік, кандидат біологічних наук
Мал. 8. Королівські мармурові гепарди (праворуч) настільки відрізняються від звичайних плямистих, що їх навіть колись виділяли в окремий вид. А це просто мутантні особини