Как гепард получил полосы — генетическая история

Исследователи из Стэнфордского университета, Национального института рака и Института биотехнологий HudsonAlpha обнаружили биологический секрет редкого полосатого гепарда, обитающего в Африке к югу от Сахары, благодаря изучению одичавших кошек в Северной Калифорнии. Это первое исследование, определившее молекулярную основу рисунка шерсти у млекопитающих.

Учёные выяснили, что у обоих видов общий биологический механизм, ответственный за элегантные полосы у домашней кошки и пятнистую шкуру гепарда. При нарушении этого пути происходят драматические изменения: у кошки появляются закрученные пятна вместо упорядоченных полос, а у пятнистого гепарда — толстые тёмные линии вдоль спины.

«Мутация одного гена превращает полосы в разводы, а пятна — в полосы», — заявил Грег Барш, доктор медицины и философии, почётный профессор генетики и педиатрии в Стэнфорде.

Различия настолько выражены, что биологи изначально считали гепардов с мутацией отдельным видом. Редких животных назвали «королевскими гепардами», а поражённых домашних кошек — менее царственным термином «размытый табби» (полосатый окрас известен как «скумбриевый табби»).

Исследование опубликовано 21 сентября в журнале Science. Соавторами-руководителями являются Кристофер Келин, доктор философии, и Сяо Сюй, доктор философии. Старший автор — Мэрилин Менотти-Реймонд, доктор философии.

Исследование опиралось на образцы ДНК одичавших кошек из Северной Калифорнии, образцы тканей и биопсии кожи, а также на недавно ставшую доступной полногеномную последовательность домашней кошки.

Сравнение последовательностей генов позволило идентифицировать мутации в гене Taqpep, связанные с рисунком «размытый табби»: у 58 из 58 таких кошек была мутация в обеих копиях гена, в то время как у 51 из 51 полосатой кошки была хотя бы одна немутировавшая версия.

Ген Taqpep кодирует протеазу, которая может диффундировать вне клетки. Эта способность свободно перемещаться и взаимодействовать с другими молекулами является ключевым компонентом принципа реакции-диффузии, предложенного Аланом Тьюрингом в 1952 году для объяснения возникновения периодических узоров (полос и пятен) из случайности.

«Тьюринг понял, что в определённых условиях диффундирующие молекулы "активатора" и "ингибитора" могут самоорганизовываться в различные периодические узоры», — сказал Барш.

После подтверждения роли Taqpep у кошек Келин проверил его роль у гепардов. Анализ крови «королевского гепарда» по кличке Кгоси и образцов из центра сохранения гепардов в Южной Африке подтвердил, что мутация в Taqpep ответственна за полосатый окрас у «королевских гепардов».

Изучая кожу эмбрионов кошек, учёные обнаружили, что рисунок табби возникает только с началом роста волос. Это говорит о том, что различия в цвете обусловлены разным уровнем экспрессии определённых генов в клетках.

С помощью метода EDGE были выявлены различия в экспрессии генов между чёрными и жёлтыми участками кожи гепарда. Многие из них были связаны с путём, влияющим на экспрессию гена Edn3. Исследователи обнаружили, что mRNA гена Edn3 производится у основания фолликулов, из которых растут чёрные волосы.

Эксперимент на генетически модифицированных лабораторных мышах, экспрессирующих Edn3, показал, что их шерсть стала значительно темнее. «Это очень убедительное доказательство того, что Edn3 является критическим регулятором чёрного и жёлтого цвета волос у животных», — сказал Барш.

Учёные предполагают, что экспрессия Taqpep необходима для установления паттерна полос или пятен на ранней стадии развития, который затем реализуется с помощью Edn3 по мере роста волос.

Не все кошки имеют рисунок. Например, взрослые африканские львы и пумы не имеют вариаций окраса, хотя их детёныши полосатые. Кроме того, мутации Taqpep неожиданно распространены у некоторых однотонных пород, например, абиссинской и гималайской.

«Мы знаем, что существует мутация, подавляющая формирование рисунка у некоторых кошек. Мы хотели бы исследовать и этот механизм», — заключил Барш.