Кошки, гены и эволюция

Что находится между промотором и терминатором? Там находится самое интересное: чередующиеся участки двух типов: экзоны и интроны. В экзонах закодирована по частям аминокислотная последовательность белка. Интроны, как правило, ничего не кодируют. В процессе созревания из РНК вырезаются все интроны, а экзоны сшиваются вместе, и получившаяся молекула становится мРНК, которая потом идет в рибосомы и используется там для трансляции.

Получается, что структура белка зашифрована не во всем гене, а только в его экзонах. Зачем тогда вообще нужны интроны? Для того, чтобы на основе одной и той же последовательности ДНК сделать несколько разных последовательностей РНК, а на их основе – несколько разных белков.

Любой ген начинается и заканчивается экзоном, то есть сначала идет экзон 1, потом – интрон 1, экзон 2, интрон 2 и так далее до последнего экзона, который оканчивается терминатором. Число экзонов в одном гене может сильно варьировать – от 1 до 365[9]. У гена тирозиназы, который нас сейчас интересует, всего 6 экзонов.

Оказалось, что не все экзоны могут попасть в зрелую мРНК. Некоторые экзоны могут быть пропущены, а некоторые интроны, наоборот, оставлены в мРНК. Например, в гене порядок экзонов такой: 1–2–3–4, а в мРНК, которая синтезируется с этого гена, экзоны расположены вот так: 2–3–4 или 1–2–4. В результате один и тот же ген может кодировать несколько разных белков! Это явление называется альтернативным сплайсингом. Отсюда и возникает поразительное белковое разнообразие при не очень поразительном разнообразии генов.

Для того чтобы специальные белки-закройщики отрезали интроны от экзонов, им нужны метки на РНК, показывающие, где кончается экзон и начинается интрон, и наоборот. Почти все (99%) интроны начинаются с нуклеотидов ГУ (помним, что в РНК тимин заменяется на урацил) и заканчиваются АГ12. Эти две пары распознаются белками-закройщиками как начало и конец интрона, который нужно вырезать.

Мутации в гене тирозиназы

Вернемся к нашим котам. У сиамского кота в 940-й позиции от начала гена тирозиназы во втором экзоне находится аденин, а у несиамского кота – гуанин. Как и почему произошла эта замена?

Она произошла потому, что нет в жизни совершенства. ДНК копирует сама себя при каждом клеточном делении. Самокопирование ДНК происходит по тому же принципу комплементарности, как и синтез РНК: А к Т, Г к Ц. Перед началом клеточного деления двойная спираль ДНК освобождается от облепивших ее белков и расплетается, выставляя наружу свои неспаренные нуклеотиды. К ним-то и присоединяются свободные партнеры, а продольные сшивки между ними обеспечивает фермент ДНК-полимераза.

Процесс самокопирования (репликации) ДНК фантастически точен. Но не абсолютно. Время от времени случаются ошибки – мутации. Очень редко, 2,3 на 1 000 000 000 нуклеотидов в год13. Стоит мутации возникнуть, и она будет передаваться всем дочерним клеткам в каждом следующем цикле клеточного деления.

Мутация нашего сиамского кота возникла не у него, а когда-то очень давно в одной-единственной половой клетке у далекого предка всех сиамских котов, живущих сейчас на Земле.

Почему же замена всего одного нуклеотида, которая привела к замене одной аминокислоты, вызвала такие заметные изменения в окраске? В каждом белке есть вариабельные и консервативные районы. В вариабельных районах белка замена одной аминокислоты на другую не приводит к выраженным негативным последствиям. Если последствий от мутаций совсем нет, то такие мутации называют нейтральными. Другие части белка консервативны, но не потому, что мутации там редко возникают, а потому, что многие возникающие в таких местах мутации ведут к сильному нарушению работоспособности белка. Такие мутации считаются вредными. Иногда (гораздо реже, чем вредные и нейтральные) в этих местах возникают полезные[10] мутации, которые, например, повышают стабильность или активность белка.

Чем обусловлена такая разница в неприкосновенности различных частей белка? Консервативные районы белка – это те участки, в которых эволюция уже нашла почти идеальную комбинацию аминокислот и все, что возникает новое, хуже, чем устоявшееся старое. У большинства позвоночных (а не только у несиамских котов) в белке тирозиназы в позиции 301 стоит глицин. Скорее всего, глицин в этом положении позвоночные унаследовали от общего предка, жившего более 420 миллионов лет назад. Чтобы продержаться такое долгое время и не быть замененным какой-нибудь случайной мутацией на другую аминокислоту (как это произошло у сиамских котов), глицин в положении 301 должен играть важную роль в функциональности тирозиназы и поддерживаться естественным отбором.

Аминокислоты отличаются друг от друга по нескольким параметрам. Их классифицируют по наличию и отсутствию заряда, сродству к воде (гидрофобные и гидрофильные), размеру и по многим другим параметрам. Замена одной аминокислоты на другую, но близкую по физико-химическим свойствам не приводит к таким значимым фенотипическим проявлениям, как замена на совершенно отличную аминокислоту. Глицин не имеет заряда, а аргинин положительно заряжен. Сиамские коты являются наглядным доказательством того, к чему может привести изменение заряда аминокислоты.

Мутации происходят на уровне ДНК, а мы обсуждаем здесь эффекты на уровне белка. Если мы приглядимся к ДНК, то мы заметим, что абсолютное большинство мутаций на самом деле обязаны быть нейтральными. Почти все замены в межгенных областях генома и в интронах – нейтральны по определению, поскольку эти последовательности не участвуют в синтезе белков.

Почему почти? Потому что мутации в регуляторных районах генома (о них мы поговорим чуть позже) и на границах интронов, где располагаются точки разрезания и сшивки мРНК, могут вызвать гораздо более серьезные изменения в работе генов, чем замены в экзонах.

К нейтральным, безусловно, относятся так называемые синонимические мутации – одиночные замены нуклеотидов, которые не меняют смысл кодонов. Например, у кодона для лейцина УУА есть еще пять синонимов: УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. В этих пределах они могут мутировать как угодно. Последовательности ДНК и РНК меняются, а последовательность аминокислот в белке остается неизменной.

Сиамская мутация привела к изменению смысла кодона. Такие мутации называются несинонимическими. Они происходят чаще синонимических, потому что возникают в результате большинства замен в первой и второй позициях кодонов. Синонимические же, как правило, затрагивают третью позицию.

Аллели, гомозиготы, гетерозиготы и другие страшные слова

Кошки, как и почти все многоклеточные существа, размножаются половым путем. Все хромосомы и все гены у них содержатся в двойном наборе: один от мамы и один от папы[11]. Сиамским котам от обоих родителей достались одинаковые мутантные варианты (аллели) гена тирозиназы (рис. 1–2). Организмы, у которых оба аллеля какого-либо гена одинаковые, называют гомозиготными (или, проще, гомозиготами), а те, у кого аллели разные, – гетерозиготными (гетерозиготами).

Поскольку генетики узнали, что этот ген контролирует наличие/отсутствие окраски, раньше, чем определили кодируемый им фермент, его по традиции назвали Color (“цвет” по-английски). Сиамский аллель обозначают cs (s – от англ. siamese), а нормальный аллель – символом С.

Чтобы кот получил сиамский окрас, он должен быть гомозиготой cs/cs. Кошки-гетерозиготы С/cs, которые унаследовали один нормальный (С) аллель и один мутантный (c s), имеют какой угодно, но не сиамский окрас. Явление, когда один аллель гена не дает проявиться другому аллелю, называется доминированием. Аллель С доминирует над аллелем cs, который является рецессивным. Для проявления рецессивного аллеля в фенотипе необходимо, чтобы в геноме не было доминантного аллеля, как у сиамских котов – гомозигот cs/cs.

В данном случае молекулярная природа доминантности/рецессивности проста и очевидна. В каждой пигментной клетке гетерозиготного кота работают оба аллеля. Оба синтезируют примерно одинаковое число молекул мРНК, которые отличаются друг от друга только заменой одного нуклеотида. Оба варианта мРНК попадают на рибосомы и транслируются в примерно одинаковое число молекул тирозиназы, которые отличаются друг от друга только заменой одной аминокислоты. Мутантные молекулы тирозиназы работают только при сниженной температуре, но это никак не сказывается на окраске, потому что одновременно в клетке есть нормальные молекулы тирозиназы, которые работают нормально при любой температуре и их достаточно, чтобы обеспечить волос нормальным количеством меланина. Сиамская окраска возникает, когда в пигментных клетках вообще нет нормальных молекул тирозиназы, а все, что есть, дефектные.

Рис. 1–2. Наследование сиамской окраски у кошек и тонкости терминологии.

Бурманские, тонкинские и вовсе альбиносы

В гене С обнаружено еще несколько мутаций. Одна из них – рецессивная мутация cb – приводит к появлению новой окраски – бурманской (англ. Burmese)[12]. Бурманские коты полностью окрашены, но в теплых частях тела они окрашены чуть бледнее, чем в холодных (вкл., илл. 2).

Мутация cb – это замена нуклеотида в первом экзоне гена тирозиназы в 227-м положении, что приводит к замене маленькой неполярной аминокислоты глицина на большую, но тоже неполярную аминокислоту триптофан. Эта замена тоже меняет температурный оптимум тирозиназы, но не так сильно, как cs.

Любопытная окраска наблюдается у гетерозиготных котов cb/cs. Ее называют тонкинской. Выглядит она как нечто среднее между сиамской и бурманской. Такое взаимодействие аллелей генетики называют промежуточным, или неполным, доминированием. При нормальной температуре тела белок cs совсем не работает, а cb работает, но одной дозы белка не хватает, чтобы вытянуть бурманскую окраску.

И сиамская, и бурманская тирозиназы худо-бедно, но работают. А вот у котов-альбиносов тирозиназа не работает вовсе.

Известны две мутации, которые приводят к полному альбинизму. Одна из них (с) обусловлена тем, что во втором экзоне в 975-й позиции гена тирозиназы пропал цитозин. Казалось бы, утрата одного нуклеотида из нескольких тысяч не должна вести к тяжелым последствиям. Ан нет. Утрата (делеция) пар нуклеотидов в числе, не кратном трем, вызывает сдвиг рамки трансляции. У неальбиносов последовательность РНК вокруг места делеции такая: …ЦЦЦ УЦЦ УУА АУЦ… Она транслируется в такую последовательность аминокислот: …Пролин – Серин – Лейцин – Изолейцин… У альбиносов же последовательность РНК без одного Ц стала такой: …ЦЦУ ЦЦУ УAA УЦ… Когда такая последовательность транслируется на рибосоме, то все идет нормально до мутантного кодона, но после него рибосома сначала вставляет неправильную аминокислоту – пролин вместо серина, а потом вообще прекращает трансляцию, потому что натыкается на стоп-кодон УАА (стоп-кодоны отмечают конец синтеза белка и в норме располагаются в последнем экзоне гена). В результате получается короткий нефункциональный мутантный белок тирозиназы.

Делецию цитозина в 975-й позиции открыли, анализируя одно американское кошачье семейство, в котором часто рождались котята-альбиносы. Когда же спустя 10 лет другие исследователи взяли кота-альбиноса в одном из французских приютов, то оказалось, что у него совсем другая рецессивная мутация, c2. В 1204-й позиции гена тирозиназы цитозин был заменен на тимин, что привело к образованию стоп-кодона (ЦAA → УAA) и в итоге к синтезу укороченного нефункционального белка.

Пород кошек с сиамским окрасом больше, чем нормальный человек может запомнить. Помимо сиамской, о которой вы уже знаете, есть еще невская маскарадная, бирманская (не путать с бурманской cb/cb!), гималайская, рэгдолл, меконгский бобтейл и еще несколько. Пород альбиносов нет ни одной. К альбиносам котоводы относятся по большей части подозрительно, поэтому их разведение не поощряется. Отчего так, вы узнаете чуть позже в этой главе.

Мутации в интронах

Сиамская и альбиносная мутации произошли в экзоне 2 гена тирозиназы, бурманская мутация – в экзоне 1. Но что будет, если мутация произойдет на стыке интрона и экзона и затронет одну из двух пар нуклеотидов: ГУ или АГ, которые отмечают края интронов?

На этот вопрос могут ответить кошки окраски мокко, которую впервые заметили в Бангкоке. Мокко гораздо светлее, чем стандартная бурманская окраска.

Причиной появления мокко стала дупликация кусочка гена тирозиназы. Удвоилась половина экзона 2 и прилегающий к нему участок интрона 2. Мы не знаем почему, но белки-закройщики не распознают АГ в конце интрона 1, а идут дальше до следующего АГ, который располагается в кусочке интрона 2 перед удвоенной частью, и ювелирно отрезают все, что находится между ними, а это интрон 1 и нормальный экзон 2! Мы также не знаем, почему белкам-закройщикам понравилась именно эта пара АГ, а не какая-то другая. Получившаяся мутантная мРНК состоит из экзона 1, далее следует удвоенный кусочек интрона 2 и половинка экзона 2, а затем все остальные экзоны в полном порядке: 3, 4, 5 и 6.

Описанную мутацию назвали cm. Этот аллель рецессивен по отношению к нормальному аллелю С и доминантен по отношению к с и с2. Какой же будет окрас у гетерозигот cs/cm и cb/cm? Кошки cs/cm будут темнее, чем сиамские cs/cs, но светлее, чем мокко cm/cm, а кошки cb/cm будут светлее, чем бурманские cb/cb, но темнее, чем мокко cm/cm. Взаимодействие всех аллелей гена тирозиназы можно представить следующим образом: С > cs = cb = cm > с, с2, где знак “>” указывает на направление доминирования, а знак “=” – на промежуточное доминирование.

Плейотропия и сиамское косоглазие – 1

Открытие интронов и процесса созревания РНК опровергло одну из догм биологии: один ген – один белок. Теперь вы знаете, что благодаря перетасовкам экзонов один ген может кодировать несколько белков. Была еще одна догма: один ген – один признак. Сейчас мы и ее опровергнем.

Продукты одного и того же гена могут участвовать в разных биологических процессах, и, соответственно, мутации в этом гене приводят к изменениям не одного, а сразу нескольких признаков[13]. Это явление называется плейотропией, от греческого pleion – “много”, tropos – “направленность”.

Все кошки сиамского окраса cs/cs дают сразу несколько примеров плейотропии. Мало того, что они сиамского окраса, так они еще имеют глаза разного оттенка голубизны. Другие цвета им недоступны. Почему? Тирозиназа у сиамских кошек плохо работает не только в пигментных клетках кожи, но и в пигментных клетках глаза. У кошек-альбиносов с/с (или с2/с2) меланин не вырабатывается вообще, поэтому оттенок радужки у них еще светлее, чем у сиамских.

Действие сиамской мутации не ограничивается изменениями в цвете шкурки и цвете глаз. Косоглазие – еще одно (плейотропное!) проявление этой мутации. Но прежде чем перейти к косоглазию, давайте вспомним, как устроен глаз.

Интерлюдия о том, как устроен глаз кошки и почему он так устроен

Глаз млекопитающих часто приводят как пример чуда эволюции – так в нем все замечательно устроено. В нем есть и автоматическая апертурная диафрагма (зрачок), и линза с автофокусом (хрусталик), и HDR-фотосенсор (сетчатка с палочками и колбочками), и высокоскоростная система передачи сигнала (нейроны), и, наконец, сверхмощный анализатор изображений (зрительная зона коры головного мозга).

Внутренняя оболочка глаза состоит из нескольких слоев клеток. Сначала свет проходит через слой нервных клеток, сразу за которыми расположены светочувствительные клетки – палочки и колбочки, после которых идет слой пигментных клеток. Светочувствительные клетки реагируют на свет и передают сигнал нервным клеткам. Каждая нервная клетка глаза “видит” только кусочек поля зрения. Нервные клетки имеют длинные отростки, с помощью которых они соединяются не только со светочувствительными клетками, но и друг с другом и передают информацию в головной мозг. Конечный анализ информации, сложение картинок от разных нервных клеток сетчатки глаза и наложение картинок от обоих глаз происходит в зрительной коре больших полушарий. Полушарий у нас два, поэтому и зрительных кор тоже две.

Домашние кошки за счет светоотражательной системы глаза (тапетум) обладают повышенной светочувствительностью, а вертикальный зрачок обеспечивает им высокую точность фокусировки. При этом кошки проигрывают человеку в дальности зрения, страдая дихроматическим дальтонизмом (не видят никаких оттенков красного, оранжевого и желтого) и одновременно дальнозоркостью и близорукостью.

Светочувствительность обеспечивается белками опсинами, которые ведут свое происхождение от так называемых G-белков. Их родственники есть даже у грибов, у которых они отвечают за восприятие химических сигналов. У млекопитающих есть два типа опсинов: опсины палочек и опсины колбочек. Общее в них то, что они способны возбуждаться и генерировать сигнал в ответ на попадание света. Опсины палочек отвечают за обнаружение света в условиях низкой освещенности, а опсины колбочек обеспечивают цветовое зрение при ярком свете. Эти два типа опсинов возникли за счет удвоения (дупликации) предкового гена у общего предка позвоночных животных. Это позволяло животным видеть как при тусклом, так и при ярком освещении. Позже в эволюции позвоночных дополнительные дупликации генов колбочковых опсинов и накопление мутаций в них привели к образованию нескольких вариантов опсинов, специализированных на восприятии разных цветов (света с разными длинами волн). Они все имеют практически одну и ту же последовательность аминокислот, за исключением единичных замен в активном центре. Замены эти определяют длину волны, которая вызывает возбуждение конкретного опсина.

У нас с вами и других приматов существует три типа генов опсинов колбочек: чувствительные к короткой длине волны (синий цвет), средней (зеленый) и длинной (красный). У кошек нет красного опсина, поэтому они видят мир в сине-зеленой гамме. В терминах офтальмологов мы – трихроматики, а кошки – дихроматики.

Наши общие и очень далекие предки (старше 250 миллионов лет) вообще были квадрохроматиками, они могли видеть в ультрафиолетовой области спектра. Потом случилось великое пермское вымирание, и все пошло прахом. Настала эра динозавров, и наши предки ушли в тень и под землю на 150 миллионов лет. Все это время они коротали дни в темных норах, рискуя выходить на поверхность только ночью или в сумерках. Этот нездоровый образ жизни привел к утрате цветного зрения и к усилению сумеречного зрения (50 оттенков серого!). Кошачий родопсин, который является производным белком от опсина и отвечает за сумеречное зрение, работает в 6 раз эффективнее человеческого. Им хватает 1/6 части света, необходимого нам. На 1 мм2 сетчатки у кошки до 800 000 палочек – в 6–8 раз больше, чем у человека.

У нормальной кошки каждый глаз видит 170° из 200° от всего поля зрения (рис. 1–3). Получается, что середину поля (30–170°) они видит двумя глазами, при этом картинка в середине цельная и объекты не двоятся. Это и есть бинокулярное зрение. Им обладают все животные с двумя глазами, включая человека. Попробуйте закрыть один глаз – у вас пропадет не половина поля, а только крайняя его часть. Почему так происходит? Для обеспечения бинокулярного зрения зрительные нервы от обоих глаз разделяются и часть перекрещивается. 60% нервных волокон от каждого глаза, например левого, уходят в правое полушарие, а 40% – в левое. С правым глазом ситуация обратная: 60% нервных волокон – в левое полушарие, а 40% – в правое.

Получается, что правая зрительная кора “видит” левую половину поля зрения. Информация об этой половине зрения поступила в кору от 60% нервных волокон, идущих из левого глаза. Они покрывают картинку от 0 до 100°. 40% волокон из правого глаза обеспечили “двойную” картинку в поле зрения от 30 до 100°. С левой зрительной корой ситуация обстоит аналогично. Она “видит” правую половину поля от 100 до 200°.

Рис. 1–3. Поле зрения у нормальных и сиамских кошек. Серым отмечена область, которую видит только один глаз, черным – область, которую видят два глаза. У сиамских кошек изображение от второго глаза подавляется в коре больших полушарий, поэтому каждый глаз видит только половину поля зрения.

Изображение одной и той же точки поля, но полученное от разных глаз, поступает в один и тот же нейрон зрительной коры, который называют бинокулярным. Именно бинокулярные нейроны творят из двух картинок – одну. Так как один и тот же объект два глаза видят под немного разными углами, то изображение получается объемным.

Плейотропия и сиамское косоглазие – 2

Первым, кто заметил связь между сиамской окраской и косыми глазами, был нейроанатом Рей Гильери14. В конце 1960-х годов его заинтересовал путь передачи информации от сетчатки глаза до головного мозга у домашних кошек. Тогда-то он и заметил, что одна кошка отличалась от остальных. Как вы можете догадаться, она была сиамской окраски. Непорядки со зрением у кошек cs/cs начинаются еще на стадии перекреста зрительных волокон. Вместо 60% у них перекрещивается 80% нервных волокон15.

Из-за этого и правая, и левая зрительная кора сиамских кошек видит больше 100° поля зрения, ведь от противоположного глаза к ней ведет не 60%, а 80% нервных волокон16. В результате в центре поля возникает два независимых изображения, полученных от разных глаз. Почему независимых? Дело в том, что с совмещением картинок у них большие проблемы: в их зрительной коре практически отсутствуют бинокулярные нейроны, то есть некому совмещать информацию из разных глаз.

Видение двух независимых изображений, которые еще и сильно перекрываются друг с другом, может пошатнуть даже самый крепкий рассудок. Однако со стороны сиамские кошки выглядят вполне здоровыми и веселыми. Они хорошо бегают, прыгают и легко избегают препятствий. Все из-за того, что у них в зрительной коре подавляется информация, которая идет от второго глаза по тем самым 20% неперекрещивающихся зрительных волокон. Это приводит к тому, что каждый глаз сиамских кошек видит только около 50% поля зрения, а не 85%, как у нормальных кошек. Если сиамский кот закрывает один глаз, он буквально наполовину слепнет.

Так как каждый глаз у сиамских кошек видит свою половину поля зрения и не зависит от другого, сиамским кошкам не обязательно держать глаза в правильном положении. Именно поэтому они часто косят. Некоторые считают, что косоглазие может быть даже удобным для них, потому что так они получают два независимых и немного разных изображения центрального поля зрения, самого важного с точки зрения поведения и выживания.

Помимо всех бед, что выпали на долю сиамских кошек из-за мутации тирозиназы, с ними произошла еще одна: у них уменьшилось число светочувствительных клеток в сетчатке глаза. Скорее всего, это привело к снижению разрешения. То есть сиамские кошки видят мир не только плоским, но еще и нечетким.