На Земле живет полмиллиарда домашних кошек. Они ловят мышей, украшают жизнь своим хозяевам, воюют с собаками и голубями и служат … замечательным объектом для генетических исследований. В этой статье специалисты-генетики рассказывают о современных взглядах на устройство, функционирование и эволюцию кошачьего генома и обсуждают перспективы развития генетики кошки на ближайшие десять лет.
Как
устроен кошачий геном
«Классические» гены всех эукариот (высших организмов с оформленным клеточным ядром, к которым относятся не только кошки и человек, но и все многоклеточные и множество одноклеточных организмов) устроены примерно одинаково. И функция у них одна – производить определенный белок, структура которого закодирована в гене: каждой аминокислоте будущего белка соответствует своя тройка нуклеотидов.
Но сам процесс считывания и реализации генетической информации непрост. В начале каждого гена стоят разнообразные регуляторы (включатели-выключатели) активности, которыми «щелкают» особые белки – транскрипционные факторы. Если ген «включился», то запускается процесс транскрипции – на ДНК гена собирается комплементарная молекула другой нуклеиновой кислоты, РНК. Затем эта молекула РНК «созревает» в процессе сплайсинга, во время которого она разрезается на фрагменты и вновь сшивается, превращаясь в матричную РНК. Ее назвали так потому, что именно эта молекула служит матрицей, по которой на «фабрике»-рибосоме собирается будущий белок (трансляция).
Но сам процесс считывания и реализации генетической информации непрост. В начале каждого гена стоят разнообразные регуляторы (включатели-выключатели) активности, которыми «щелкают» особые белки – транскрипционные факторы. Если ген «включился», то запускается процесс транскрипции – на ДНК гена собирается комплементарная молекула другой нуклеиновой кислоты, РНК. Затем эта молекула РНК «созревает» в процессе сплайсинга, во время которого она разрезается на фрагменты и вновь сшивается, превращаясь в матричную РНК. Ее назвали так потому, что именно эта молекула служит матрицей, по которой на «фабрике»-рибосоме собирается будущий белок (трансляция).
Все три процесса – транскрипция, сплайсинг и трансляция – регулируются сложными взаимодействиями ДНК, белков и РНК, которые зависят от типа клеток, стадии клеточного цикла и периода развития организма.
Например, при сплайсинге одни фрагменты РНК (экзоны) сшиваются, а другие (интроны) выбрасываются. Эти последние могут просто деградировать, но могут и использоваться для разных целей, в том числе для регуляции той же транскрипции.
Особую роль в тонкой (громче – тише) «настройке» активности генов играют загадочные регуляторные участки ДНК – энхансеры. Эти короткие (50–1500 нуклеотидов) последовательности могут располагаться как рядом, так и очень далеко от гена, работу которого они модулируют. Как именно энхансеры действуют, до сих пор неясно. Прелесть их в том, что они тканеспецифичные, т. е. каждый энхансер работает только в определенном месте организма и в определенный момент времени.
На сегодняшний день известно, что геном кошки содержит 19587 генов, кодирующих белки. А также 9438 некодирующих, которые отвечают за производство «некодирующих» РНК, включая транспортные и рибосомные, а также множества разнообразных регуляторных РНК. О работе последних у кошек, к сожалению, практически ничего неизвестно.
Кроме того, в геноме кошки находится 494 псевдогена – нефункциональных генных останков, «сломанных» мутациями. Псевдогены могут выглядеть как нормальные гены, но их выдает отсутствие интронов и промоторов – стартовых площадок транскрипции. К этой же потенциально «мусорной» группе и относятся следы деятельности геномных паразитов – ретровирусов (семейство РНК-содержащих вирусов, заражающих преимущественно позвоночных). Сами ретровирусы и их обломки (ретроэлементы) составляют примерно треть кошачьего генома. Это много, но все же меньше, чем у человека, у которого они занимают до половины всего генома.
Например, при сплайсинге одни фрагменты РНК (экзоны) сшиваются, а другие (интроны) выбрасываются. Эти последние могут просто деградировать, но могут и использоваться для разных целей, в том числе для регуляции той же транскрипции.
Особую роль в тонкой (громче – тише) «настройке» активности генов играют загадочные регуляторные участки ДНК – энхансеры. Эти короткие (50–1500 нуклеотидов) последовательности могут располагаться как рядом, так и очень далеко от гена, работу которого они модулируют. Как именно энхансеры действуют, до сих пор неясно. Прелесть их в том, что они тканеспецифичные, т. е. каждый энхансер работает только в определенном месте организма и в определенный момент времени.
На сегодняшний день известно, что геном кошки содержит 19587 генов, кодирующих белки. А также 9438 некодирующих, которые отвечают за производство «некодирующих» РНК, включая транспортные и рибосомные, а также множества разнообразных регуляторных РНК. О работе последних у кошек, к сожалению, практически ничего неизвестно.
Кроме того, в геноме кошки находится 494 псевдогена – нефункциональных генных останков, «сломанных» мутациями. Псевдогены могут выглядеть как нормальные гены, но их выдает отсутствие интронов и промоторов – стартовых площадок транскрипции. К этой же потенциально «мусорной» группе и относятся следы деятельности геномных паразитов – ретровирусов (семейство РНК-содержащих вирусов, заражающих преимущественно позвоночных). Сами ретровирусы и их обломки (ретроэлементы) составляют примерно треть кошачьего генома. Это много, но все же меньше, чем у человека, у которого они занимают до половины всего генома.
Чем
холоднее, тем ярче
Мутации бывают разные. Наиболее часты точечные мутации – замена одного нуклеотида на другой или утрата либо вставка одного нуклеотида. Как правило, эти мутации возникают из-за ошибок в процессе удвоения (репликации) ДНК или при «исправлении» (репарации) этих и других ошибок. Примерно две трети таких мутаций приводят к изменению состава белка, кодируемого данным геном. К этому типу относятся почти все мутации, выявленные у кошек. Рассмотрим их на примере альбинизма, полного или частичного отсутствия пигментов меланинов.
Окраска меха у кошек, как и у всех остальных млекопитающих, определяется наличием и распределением в волосе двух пигментов: черного (эумеланина) и желтого (феомеланина). Оба пигмента синтезируются из аминокислоты тирозина, а ключевым ферментом синтеза является белок тирозиназа. Этот фермент кодируется геном C (Color). Мутации в этом гене либо вовсе лишают кошку пигментов, либо в той или иной мере нарушают их синтез.
Есть две точечные мутации в гене С (cb и cs),, вызванные заменой одного нуклеотида на другой, которые приводят к синтезу тирозиназы со смещенным температурным оптимумом. Мутантный фермент плохо работает при нормальной температуре тела, чуть лучше – при пониженной. А вот утрата одного нуклеотида (мутации c и с2) ведет к образованию так называемого стоп-кодона – сигнала о прекращении транскрипции. В результате образуется укороченная мутантная мРНК, на которой синтезируется совсем уже «нерабочий» фермент.
Окраска меха у кошек, как и у всех остальных млекопитающих, определяется наличием и распределением в волосе двух пигментов: черного (эумеланина) и желтого (феомеланина). Оба пигмента синтезируются из аминокислоты тирозина, а ключевым ферментом синтеза является белок тирозиназа. Этот фермент кодируется геном C (Color). Мутации в этом гене либо вовсе лишают кошку пигментов, либо в той или иной мере нарушают их синтез.
Есть две точечные мутации в гене С (cb и cs),, вызванные заменой одного нуклеотида на другой, которые приводят к синтезу тирозиназы со смещенным температурным оптимумом. Мутантный фермент плохо работает при нормальной температуре тела, чуть лучше – при пониженной. А вот утрата одного нуклеотида (мутации c и с2) ведет к образованию так называемого стоп-кодона – сигнала о прекращении транскрипции. В результате образуется укороченная мутантная мРНК, на которой синтезируется совсем уже «нерабочий» фермент.
Свои гены кошки, как и люди, наследуют от двух родителей, поэтому каждый ген представлен в геноме как минимум в двух экземплярах. Если любая из названных выше мутаций будет унаследована только от одного из родителей (такие особи называются гетерозиготами), то у кошки будет нормальный окрас. Одного «правильного» гена будет достаточно, чтобы обеспечивать клетки нужным количеством меланина. Но что будет в случае гомозиготы – когда кошка получит мутацию от обоих родителей?
В случае мутации c или с2 кошка вырастет совершенно белой и с голубыми глазами, потому что нормальная тирозиназа у нее полностью отсутствует. Гомозиготы по мутации cb получат бирманскую окраску, а по мутации cs – сиамскую. У сиамских ярко окрашенными будут только уши, нос, лапы и кончик хвоста – участки тела, где температура снижена. У кошек с бирманской окраской будут окрашены не только эти части, но и само тело, хотя и менее ярко, чем в норме. Из этого мы заключаем, что температурный оптимум тирозиназы у бирманцев несколько выше, чем у сиамцев.
В случае мутации c или с2 кошка вырастет совершенно белой и с голубыми глазами, потому что нормальная тирозиназа у нее полностью отсутствует. Гомозиготы по мутации cb получат бирманскую окраску, а по мутации cs – сиамскую. У сиамских ярко окрашенными будут только уши, нос, лапы и кончик хвоста – участки тела, где температура снижена. У кошек с бирманской окраской будут окрашены не только эти части, но и само тело, хотя и менее ярко, чем в норме. Из этого мы заключаем, что температурный оптимум тирозиназы у бирманцев несколько выше, чем у сиамцев.
Точечная мутация cˢ
у кошек бирманского окраса приводит к выраженному осветлению цвета шерсти
тела до темно-коричневого («собольего»).
|
А теперь, внимание, вопрос: какой будет окрас у кошки, которая получила от одного родителя мутацию cs, а от другого с? Правильно, бирманский. А у гетерозиготы cs/cb? Тонкинский окрас – что-то среднее между сиамским и бирманским. Отсюда мы получаем простое и понятное объяснение явлению доминирования признаков. Доминантным оказывается тот признак, для проявления которого достаточно, чтобы активным был один ген из пары.
Почему
сфинксы лысые, а Рексы – курчавые
Помимо точечных, у кошек встречаются мутации, вызванные удалением (делеции), удвоением (дупликации) или вставкой (инсерции) уже не отдельных нуклеотидов, а целых фрагментов ДНК. Эти мутации часто возникают за счет сбоев в процессе обмена участками хромосом (кроссинговера), который происходит во время формирования половых клеток.
Несколько мутаций этого типа обнаружены у кошек в генах, которые отвечают за синтез и «созревание» кератинов – сложных и прочных фибриллярных белков, входящих в состав волоса. Нарушения в их структуре приводят к безволосости (у сфинксов) или курчавости волос (у разных вариантов рексов).
Несколько мутаций этого типа обнаружены у кошек в генах, которые отвечают за синтез и «созревание» кератинов – сложных и прочных фибриллярных белков, входящих в состав волоса. Нарушения в их структуре приводят к безволосости (у сфинксов) или курчавости волос (у разных вариантов рексов).
Обе эти кошки имеют мутантный
белок кератин KRT71. У безволосого сфинкса (вверху)
он сильно укорочен из-за мутации в гене KRT71.
У кудрявого селкирк-рекса (внизу) мутация затрагивает другой ген, чей белок
взаимодействует с белком KRT71, укорачивая его на 5 аминокислот.
У девон-рексов курчавость вызывается сложной мутацией в гене KRT71 (Gandolfi et al., 2010). Она включает в себя утрату фрагментов ДНК в двух интронах и две вставки в один из экзонов. В результате вставки дополнительных амикислот структура кератина меняется, что снижает его прочность. Изменения в интронах, казалось бы, не должны влиять на структуру белкового продукта гена, так как в ходе созревания мРНК они вырезаются. Однако такие мутации могут менять активность гена, влияя на процесс сплайсинга и/или стабильность РНК, считанной с гена.
У того же гена KRT71 есть и точечная мутация – замена азотистого основания гуанин на аденин, что ведет к появлению стоп-кодона. В результате синтезируется укороченная молекула кератина, что через сложные взаимодействия с другими белками полностью лишает шерсти гомозиготных носителей мутации – канадских сфинксов. Удивительно, что многоходовая мутация девон-рексов «всего лишь» сворачивает их шерсть в колечки, а замена одной единственной «буквы» на другую полностью лишает сфинксов шерстяного покрова.
Структура кератина может измениться за счет мутаций не только в самом гене кератина, но и в генах, отвечающих за процесс «созревания» этого белка. Так, своей курчавостью селкирк-рексы обязаны мутации в гене SADRE (Selkirk Autosomal Dominant Rex), которая приводит к утрате пяти аминокислот у кератинового белка – продукта гена KRT71 (Gandolfi et al., 2013).
У того же гена KRT71 есть и точечная мутация – замена азотистого основания гуанин на аденин, что ведет к появлению стоп-кодона. В результате синтезируется укороченная молекула кератина, что через сложные взаимодействия с другими белками полностью лишает шерсти гомозиготных носителей мутации – канадских сфинксов. Удивительно, что многоходовая мутация девон-рексов «всего лишь» сворачивает их шерсть в колечки, а замена одной единственной «буквы» на другую полностью лишает сфинксов шерстяного покрова.
Структура кератина может измениться за счет мутаций не только в самом гене кератина, но и в генах, отвечающих за процесс «созревания» этого белка. Так, своей курчавостью селкирк-рексы обязаны мутации в гене SADRE (Selkirk Autosomal Dominant Rex), которая приводит к утрате пяти аминокислот у кератинового белка – продукта гена KRT71 (Gandolfi et al., 2013).