Разные версии одного гена определяют узоры перьев у голубей

Исследование биологов из Университета Юты показало, что разные версии одного гена — NDP (Norrie Disease Protein) — неожиданно связывают цветовые узоры у голубей с дефектами зрения у людей. Эти вариации гена, вероятно, были привнесены в домашних голубей человеком от другого вида и теперь дают эволюционное преимущество диким популяциям сизых голубей в городской среде.

Учёные проанализировали геномы домашних сизых голубей (Columba livia), чтобы определить мутации, управляющие четырьмя основными цветовыми узорами на маховых перьях. Они сравнили исходный, предковый узор «бар» (горизонтальные чёрные полосы у кончиков крыльев) с более тёмным «чекером», самым тёмным «T-чекером» и самым светлым «бесполосым» (barless) узором.

Оказалось, что последовательность ДНК рядом с геном NDP сильно различается у птиц с узором «бар» и птиц с узорами «T-чекер» и «чекер». Кроме того, у некоторых голубей с этими тёмными узорами больше копий определённого участка ДНК рядом с геном, что приводит к ещё большей пигментации перьев. При этом сама последовательность гена у них не изменена. В отличие от них, у самых светлых «бесполосых» птиц обнаружена мутация в самой последовательности гена NDP, которая может влиять на его функцию.

«Это довольно странно. Один и тот же ген, но модифицированный разными способами, даёт совершенно разные результаты», — говорит Майк Шапиро, профессор биологии и старший автор статьи.

Это первый случай, когда ген NDP связывают с вариациями пигментации. Голубеводы десятилетиями сообщали о проблемах со зрением у «бесполосых» птиц. Исследование обнаружило, что точно такая же мутация NDP, как у этих голубей, встречается в двух семьях людей с наследственной слепотой. Это указывает на важность данной части гена для развития глаза.

Предыдущие исследования показали, что более тёмные птицы («чекер» и «T-чекер») имеют преимущество в городской среде: у них более длинный сезон размножения и больше птенцов успешно покидают гнездо. Новое исследование выявило, что генетические изменения, связанные с этими тёмными узорами, вероятно, возникли в результате скрещивания человеком домашнего сизого голубя с африканским крапчатым голубем (Columba guinea). Версия гена NDP была привнесена в домашних голубей несколько сотен лет назад, уже после их одомашнивания.

«Люди могли передать признак другому виду, который они одомашнили, и теперь этот признак оказался в дикой природе, где он даёт преимущество именно в созданных человеком местообитаниях», — отмечает Шапиро.

Исследование было опубликовано 17 июля 2018 года в журнале eLife.

Разнообразие, созданное человеком

За более чем 5000 лет одомашнивания сизого голубя человек вывел более 350 разновидностей разного цвета, узора, формы и размера. Исследователи сотрудничали с Utah Pigeon Club и National Pigeon Association, чтобы получить образцы крови для изучения молекулярных механизмов, лежащих в основе разнообразия узоров.

Ещё в начале 1900-х годов генетики установили, что четыре основных цветовых узора, вероятно, определяются вариациями в одном локусе хромосомы. Голубеводы знали об этой базовой генетике и без знания молекул.

Команда секвенировала геномы четырёх разновидностей и обнаружила, что у «бесполосых» голубей есть мутация в самой последовательности гена NDP, которая препятствует выработке пигмента. У более тёмных птиц оказалось больше копий вероятной регуляторной последовательности ДНК, которая «усиливает» экспрессию NDP.

«Видеть и изменения в количестве экспрессии гена пигмента, и изменения в последовательности гена в одном наборе физических характеристик — довольно уникально. Это определённо захватывающе», — говорит Анна Викри, докторант и ведущий автор статьи.

«Оказывается, количество копий этого участка ДНК определяет, насколько тёмными будут ваши крылья. Это механизм эволюции таких признаков, как пигментация, путём простого дублирования участков ДНК», — добавляет Шапиро.

Связь с человеком

Ген NDP хорошо изучен у людей. Десятки его мутаций приводят к слепоте, глухоте, шизофрении, а также моторным и интеллектуальным проблемам. Однако мутация у «бесполосых» голубей влияет только на их пигментацию и зрение. Как минимум две семьи в Японии с той же мутацией в NDP страдают только наследственной слепотой. Это указывает на важность по крайней мере части гена для зрения.

«Мы обнаружили ген, который ранее не был замешан в признаках пигментации. У него есть эти действительно интересные связи с болезнями глаз, что указывает на общую связь между пигментацией и развитием глаза, которую стоит изучить», — говорит Шапиро.

Исследователи сотрудничают с Moran Eye Center при университете, чтобы изучить вены и артерии за сетчаткой «бесполосых» голубей и понять влияние мутации NDP на развитие глаза.

Кроме того, у голубей с узорами «чекер» и «T-чекер», по-видимому, есть и другие репродуктивные и физиологические изменения, позволяющие им процветать в городских условиях. Биологи изучают, могут ли сцепленные признаки означать, что NDP меняет не только узор пигментации, но и другие важные признаки приспособленности.