Кошки, гены и эволюция

У бурманских кошек зрение, скорее всего, никак не страдает, потому что тирозиназа у них работает почти нормально. А вот у кошек-альбиносов, как и у всех млекопитающих-альбиносов, включая человека17–19, присутствуют точно такие же проблемы со зрением, что и у сиамцев.

Связь между сиамской окраской / альбинизмом и голубыми глазами понятна: недостаток или отсутствие меланина ведет к осветлению и шерсти, и радужки глаза. Но какая может быть связь между меланином и неправильным перекрестом нервных волокон?

Это до сих пор неизвестно. Скорее всего, здесь дело не в самом меланине, а в его предшественниках, которые образуются при участии тирозиназы. Один из них, L-дофа, может стимулировать деление клеток сетчатки во время раннего развития20.

В эмбриональном развитии глаза зрительный пузырек (будущий глаз) в какой-то момент разделяется на два слоя клеток: пигментный и нервный21. Связь между ними сохраняется, так что некоторые молекулы могут переходить из одного слоя в другой. Можно предположить, что недостаток L-дофа приводит к дегенерации пигментного слоя клеток, что, в свою очередь, угнетает развитие нервного слоя. Большинство тех нервных клеток, что сумели выжить, направляют свои нервные отростки не в ту сторону, и в результате мы получаем сиамскую зрительную плейотропию.

Эпилог

Пришло время выразить благодарность нашему читателю, который терпеливо следовал за прихотливыми извивами нашего повествования, вынес внедрение множества терминов с греческими и латинскими корнями и мужественно добрался до эпилога этой главы. В прологе мы пообещали, что объясним, откуда берется сиамская окраска у кошек, но для этого нам пришлось объяснять, как вообще устроены геномы у кошки и других животных, как работают и передаются из поколения в поколение наши гены. В этом и состоит прелесть наших геномов, что они у всех нас устроены очень сходно, а уж у нас с кошками и подавно.

Гены не просто устроены одинаково, их поломки – мутации – приводят к сходным или вовсе одинаковым фенотипическим эффектам. Эту закономерность заметил в начале XX века Николай Иванович Вавилов. Он сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости: “Генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов”. Все последующее развитие генетики подтвердило справедливость этого закона.

Мутации, ведущие к альбинизму, обнаружены у всех позвоночных – рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Среди последних они описаны у представителей практически всех отрядов. Мы уже говорили о сходстве в проявлении мутаций полного альбинизма у кошки и человека. Точно такие же мутации есть у мышей, крыс, кроликов, кенгуру, ежей и многих других. Сиамский альбинизм встречается у мышей, кроликов и, очень редко, у собак и человека. Описание этой мутации у человека выглядит так: “У пробанда[14] были белые волосы в более теплых областях (волосистая часть головы и подмышечные впадины) и постепенно темнеющие волосы в более прохладных областях (конечностях) тела. Архитектура меланоцитов и меланосом была нормальной. Количественный анализ тирозиназы волосяных луковиц продемонстрировал потерю активности при температуре выше 35–37 °C”22.

Генетические основы закона гомологических рядов наследственной изменчивости вполне очевидны. Синтез меланина происходит по одному и тому же механизму у всех позвоночных и контролируется гомологичными генами[15], унаследованными ими от их общего предка. Поломки в этих генах (мутации) нарушают одни и те же этапы этого синтеза и поэтому приводят к одинаковым фенотипическим эффектам. У всех альбиносов тело лишено пигмента полностью или частично. При этом не только непосредственные, но и побочные плейотропные эффекты оказываются сходными. У альбиносов полностью или частично обесцвечена радужка и нарушено бинокулярное зрение.

Однако не нужно думать, что все полностью или частично белые коты – это носители мутаций, повреждающих тирозиназу. Существует множество вариантов белой или осветленной окраски у млекопитающих, которые никак не связаны с дефектами тирозиназы. О них мы поговорим в следующей главе.

Глава 2

Пегие коты и геномные паразиты

Пролог

Профессор Императорского московского университета Карл Францевич Рулье, несмотря на свое французское имя, был вполне русским человеком. Был он толст, невелик ростом и нравом добродушен. Дома ходил в сапогах и косоворотке. Посетители, не знавшие его в лицо, принимали его за дворника и спрашивали: “А скажи, любезный, здесь живет профессор Рулье?”

На пять лет младше Дарвина, он тоже начал свое обучение с медицины. В отличие от Дарвина Рулье доучился до конца и даже написал докторскую диссертацию о геморрое. Но потом, как и Дарвин, разочаровался в медицине и ушел в геологию, палеонтологию и зоологию и там достиг вполне дарвиновских высот или, вернее, глубин. Параллельно с Дарвином он пришел к идее эволюции, хотя скорее в ламарковом стиле. Взгляды свои Рулье ярко и свободно излагал студентам и широкой публике, чем навлек на себя гнев тогдашнего Миннауки и похвалу иностранного агента Александра Ивановича Герцена. На “Бигль” Карла Францевича никто не позвал. Но это его не сильно огорчило: ему хватило путешествий по краю родному, а то и просто обозрения природы из окна дома. Истинный натуралист всегда найдет вокруг себя материал для наблюдений и пищу для ума. Жил он в Москве на Тверской-Ямской возле постоялых дворов и нередко сиживал там на лавочке, куря сигару, торгуя калачами[16] и наблюдая движение жизни вокруг.

Одно из таких наблюдений Рулье описал в своей статье: “Было время, когда, удерживаемые дома продолжительным недугом, мы проводили досужные часы у окошка… смотрели на лошадей и не заметили, как вкралось в душу наблюдение, что очень много лошадей белоножек; впоследствии к этому присоединилось и другое, что несравненно чаще лошадь белоножка на задние ноги, нежели на передние”23.

Сильно опережая свое время, Рулье ясно понимал важность статистики и “назначил себе немалое число наблюдений”. “Однажды перед нами прошло несколько сот лошадей кавалерийского полка, из всего числа наблюдаемых лошадей более трех четвертей подходили под замеченный нами закон, состоящий в том, что у лошадей белоножек белеют прежде задние ноги (чаще задняя правая), потом уже передние (чаще левая передняя), так что ежели у лошади одна белая нога, то это всего чаще одна из задних ног (чаще правая), ежели три белых, то обыкновенно при двух задних бела одна передняя, и, наконец, обе передние белы обыкновенно только при обеих белых задних”.

Выведя этот закон, Рулье проверил его на независимой выборке и с немалой выгодой для себя.

“Мы держали заклад с товарищами, что узнаем, которые ноги у лошади белые, ежели только они нам скажут, сколько у нее белых ног; за каждый угаданный случай нам платили единицу пенни, а мы платили три за неугаданный случай, и, к величайшему нашему удовольствию, мы постоянно были в выигрыше”.

Разобравшись с лошадьми, Карл Францевич обратился к другим домашним животным.

“Мы наблюдали коров, собак, кошек, кроликов и нашли, что в них есть постоянные законы наплыва белых пятен. Так, у собаки и кошки два наиболее уступчивые места на теле – лапки и грудь; первым местом собака и кошка представляют сходство с лошадью, начинанием же пеготы с груди эти два животных прямо противоположны лошади, и величайшей несообразностию были бы изображения[17] лошади не совершенно белой, а еще более совершенно темною, с белой грудью. Лошадь с белой грудью на темном поле или пегая собака с темной грудью были бы более уродливы, нежели двуголовая лошадь или собака: второе все-таки встречается в природе, а первое едва ли когда”.

Почему пегость (белая пятнистость) часто наблюдается в одних участках тела и редко или никогда в других? Почему эти уступчивые и устойчивые в терминологии Рулье районы так сильно различаются у домашних животных? Почему пегости встречаются практически у всех одомашненных животных и почти никогда у диких?

Рулье на эти вопросы отвечал во вполне ламарковом стиле – это результаты внешних влияний: белеют те части тела, которые чаще пачкаются грязью или натираются (сбруей, хомутом, ошейником и т. п.). При этом он отдавал себе отчет в неполноте и натянутости этого объяснения и оправдывался тем, что он вообще написал эту статью от нечего делать. Именно так она и называлась – “От нечего делать”.

Долгий путь от нервного гребня до волосяного фолликула

Чтобы понять, как и почему появляются белые пятна на шерсти кошек, мы с вами проследим, где образуются предшественники пигментных клеток и как им приходится добираться до мест их назначения.

На 14–15-й день развития эмбриона на спинной его стороне образуется структура, называемая нервным гребнем. В ней выделяется группа специфических клеток – меланобластов, которые потом превращаются в меланоциты, синтезирующие пигменты и транспортирующие их в волосы. Волосы, однако, в этот момент развития еще не выросли. Да и вообще они растут не в нервном гребне, а на коже. Поэтому меланобласты, чтобы достичь места своей постоянной работы, состыковаться с волосяными фолликулами и превратиться в меланоциты, вынуждены совершать длительные миграции в теле эмбриона.

Долгие и, казалось бы, бессмысленные блуждания эмбриональных клеток от места их образования до места их постоянной работы характерны не только для меланобластов и иных производных нервного гребня, но и для многих других типов клеток. Взять хоть половые клетки. Они появляются на 10–12-й день кошачьей беременности, но не внутри самого зародыша, а рядом с ним на задней стенке желточного мешка, там, где зародыш соединяется с этим мешком. Затем они проникают сквозь стенку задней кишки (это часть будущего кишечника зародыша) и ползут вдоль пленки, которая держит кишечник, к зачаткам гонад. Они добираются туда примерно на 3–4-й неделе кошачьей беременности.

Есть разные оправдания для этих движений. Кто-то видит в них очередное доказательство старинного биогенетического закона: онтогенетические движения повторяют эволюционные преобразования. Есть школа мысли, которая рассматривает их как способ контроля качества будущих половых клеток – марафон на выживание. Кто дополз – годен, кто отстал – до свиданья, нам такие хилые половые клетки ни к чему.

Движения клеток во время развития – это отдельная, захватывающая и малопонятная история. “Сколько их! куда их гонят?” Как они узнают, куда им плыть? Они что, слышат далекий зов? Или в теле эмбриона постепенно закладывается дорожная сеть, а вернее, разные сети для транспорта разных типов клеток? Как клетки движутся? Они что, активно переползают с места на место, протискиваясь между другими клетками? Или клетки дорожной сети перебрасывают мигрантов от одного верстового столба до другого?

Меланобласты активно мигрируют между клетками кожи24. При этом они используют стандартный набор белков, определяющих движения клеток. Это внутренние моторные белки (тубулины и актины) и внешние сигнальные белки, которые обеспечивают диалог между различными клетками кожи.

В мембране меланобластов есть специальные белки, которые воспринимают сигналы окружающей среды. Именно эти белки взаимодействуют с белками из межклеточного пространства и белками, выступающими над поверхностью клеток кожи. Благодаря этому происходит перемещение меланобластов от того места, где возникли, к месту назначения. А их несколько. Во-первых, это кожа, во-вторых, сетчатка глаза, в-третьих, улитка внутреннего уха. Расстояния от нервного гребня неблизкие.

Тем не менее нормальные меланобласты эти расстояния преодолевают и прибывают к месту работы точно в тот момент, когда для них подготавливаются рабочие места. О том, что делают они в глазах и ушах, мы поговорим чуть позже, а сейчас сосредоточимся на коже.

Прежде чем заселить волосяные фолликулы по всему телу, меланобласты мигрируют в так называемые пигментные центры. У кошачьего эмбриона они расположены на темени, в основании хвоста, на лопатках и вдоль спинного хребта. Достигнув пигментного центра, меланобласты начинают делиться и уже оттуда диффузно распределяться по коже. Они внедряются в волосяные фолликулы и заканчивают дифференцировку, превращаясь в меланоциты, которые уже готовы к синтезу пигментов.

По-видимому, вероятность образования головного и хвостового пигментных центров у кошки выше, чем грудного и спинного. Поэтому голова и хвост оказываются в терминологии Рулье наиболее устойчивыми районами окраски. А наиболее уступчивыми – те, которые находятся далеко от центров пигментации, – лапы, брюхо, грудь.

Меланобласты, как и все остальные клетки в развивающемся организме, строем не ходят. Кто-то торопится, кто-то зависает. В итоге даже в отсутствие в геноме мутаций сильного эффекта небольшие белые пятнышки могут возникать в местах, удаленных от пигментных центров или по каким-то причинам трудных для прохождения меланобластов. У кошек это манишка и фиговый листочек в паху.

Итак, белые депигментированные пятна возникают на тех частях шкуры животных, к которым предшественники пигментных клеток не успевают прийти вовремя.

От белых пятен на черной кошке до черных пятен на белой кошке

Известно несколько мутаций гена KIT25, 26, которые нарушают размножение и миграцию меланобластов. В классической генетике млекопитающих этот ген обозначают буквой W (Dominant White) по фенотипическому эффекту его мутаций (рис. 2–1).

Ген KIT контролирует синтез одного из белков-рецепторов, расположенных на мембране меланобластов. Этот белок играет ключевую роль в их миграции и пролиферации (размножении). Изменения структуры белка KIT ведут к нарушению этих процессов и в конечном счете к возникновению на теле животного депигментированных белых участков.

Рис. 2–1. Структура нормального (w) и мутантных аллелей (wg, wsal, WS, W) гена KIT кошки. Стрелки показывают направление доминирования.

Рецессивная мутация wg (Gloving – оперчачивание?) снижает скорость миграции меланобластов всего чуть-чуть. В самых далеких от нервного гребня участках кожи – на кончиках лапок, куда меланобласты не пришли вовремя, – шерсть вырастает совершенно белой. Белые перчатки служат дресс-кодом породы бирманская. Но еще Рулье отмечал, что они широко распространены и среди беспородных кошек: “…что заметил простолюдин в остроте своего рода: «вишь… кошка – чулочки надела, а башмачки или сапожки позабыла»”, – писал он23.

Полудоминантная мутация белой пятнистости WS (Piebald Spotting) в гене KIT ведет к гораздо более значительному торможению миграции меланобластов. Здесь белое пятно охватывает грудь, брюхо и бока (вкл., илл. 6, 14, 18, 20, 21, 23). Проявление мутации WS зависит от ее дозы. В двойной дозе – в гомозиготном состоянии – она приводит к образованию большой зоны депигментации. У гетерозигот размер белой пятнистости меньше.

Однако качественную границу между размерами пятен у гомо– и гетерозигот провести трудно. Площадь пятна зависит не только от дозы этого гена, но и от генетического фона, на котором этот ген проявляется. У отдельных гомозигот размер пятна может быть меньше, чем у иных очень пегих гетерозигот. Проявление этого гена модифицируется другими генами более слабого действия, находящимися на других хромосомах. Сами по себе они не приводят к появлению белой пятнистости, но способны увеличивать или уменьшать ее размер у носителей аллеля WS. Такие гены называются генами-модификаторами.

Многие модификаторы не являются генами в традиционном смысле этого слова: они не кодируют белков. Они представляют собой довольно короткие участки ДНК, которые, взаимодействуя с белками транскрипции, могут менять интенсивность или продолжительность продукции белка основным геном, то есть тем геном, проявление которого они модифицируют. Как вы помните, усиливающие модификаторы называются энхансерами, а снижающие – сайленсерами.

В гене KIT есть доминантная мутация Dominant White (символ W). Она практически полностью лишает способности к миграции и пролиферации и меланобласты, и некоторые другие производные нервного гребня25. Иногда меланобластам удается внедриться в волосяные фолликулы, расположенные на голове кошки, и тогда там наблюдаются небольшие окрашенные участки. Количество меланобластов, достигших сетчатки, у разных носителей этой мутации может быть разным. Если их много, то глаза имеют нормальный желтый цвет, если очень мало – голубой. Бывает и так, что в один глаз попало много, а другой мало. В таком случае получается разноглазый кот: один глаз у него желтый, другой – голубой. Или еще лучше – полтора глаза желтые и половина глаза голубая. Взаимодействие всех аллелей гена KIT выглядит следующим образом: W > WS > w > wg, wsal.

Заметьте, Dominant White – это не еще один вариант альбинизма наряду с сиамским, бурманским и красноглазым. Эта мутация в совсем другом гене, который находится на совсем иной хромосоме (B1), чем ген альбинизма (D1). Она нарушает совсем иной путь развития окраски – не синтез пигментов, а наличие в коже клеток, предназначенных для синтеза пигментов.

Внутри гена KIT

Многообразие фенотипических эффектов разных мутаций гена KIT у разных видов млекопитающих вызывало жгучее любопытство исследователей: что там внутри этого гена? Начали, естественно, с мышей, но мы пока их пропустим и перейдем непосредственно к кошкам.

В виварии Университета Джонса Хопкинса белых кошек разводили не ради их красоты, а ради их глухоты, как модель человеческого недуга. Поскольку белый цвет и глухота явно определяли район поиска, то исследователи целенаправленно анализировали последовательности гена KIT у нормальных, пятнистых и белых котов из этой колонии25.

Откуда они знали, где в геноме кошки находится KIT? Последовательность этого гена уже была определена у человека и мыши, и еще 328 видов животных. Определив общие – консервативные – районы KIT у шести видов млекопитающих, исследователи легко нашли его в геноме кота. Да и вы сами это можете сделать. Адреса – в сноске[18].

Затем исследователи сравнили последовательности KIT у нормальных, пегих и белых котов (рис. 2–1). У пегих котов (WS/_) они увидели вставку чужеродной последовательности длиной в 7125 нуклеотидов в первом интроне. У белых котов (W/_) в том же месте был короткий фрагмент этой вставки. Всего 617 нуклеотидов.

В другом эксперименте другие исследователи обнаружили, что белоногость wg вызывается совсем крошечной заменой – всего двух нуклеотидов26. И не в интроне, а в экзоне. То есть эта рецессивная мутация меняла аминокислотный состав белка KIT, в отличие от описанных выше доминантных мутаций, которые, по-видимому, меняли время и место синтеза и количество наработанного белка. Мутация wg немного ослабляла связь между белком KIT и белком, с которым он должен взаимодействовать, обеспечивая миграцию клеток. Мы бы сказали, что мелонобласты wg/wg иногда поскальзывались по пути к концам конечностей, но боимся, что нас обвинят в вульгаризации и профанации науки.

Как вы помните, KIT работает не только в меланобластах, но и у многих других производных нервного гребня. Не удивительно поэтому, что нарушения в структуре и регуляции этого гена могут вести к разным патологиям. Внеплановые включения этого гена, ответственного за пролиферацию и миграцию эмбриональных клеток, особенно опасны в клетках взрослого организма. Такие клетки начинают пролиферировать и мигрировать – становятся злокачественными. Активирующие мутации в этом гене связаны с опухолями желудка, кишечника и семенников, меланомой, острым миелоидным лейкозом. Такого рода мутации в KIT включены в программы геномного тестирования во многих ветеринарных лабораториях.

За границами гена KIT

Что находится за границами гена KIT? Наверное, разные его регуляторы (энхансеры и сайленсеры). Раньше думали, что они могут находиться где угодно. Несколько лет назад возникло предположение, что регуляторы должны быть рядом с генами, которые они регулируют. Мало того, они должны быть надежно отгорожены от других генов и их регуляторов. Возникло это предположение благодаря открытию топологически ассоциированных доменов (ТАД)27, внутри которых последовательности ДНК физически взаимодействуют друг с другом чаще, чем с последовательностями за пределами ТАДа.

ТАД можно сравнить с жителями одной квартиры. Кошка живет со своим котенком, в их же доме живет человек – это один ТАД, все его участники часто друг с другом контактируют. Иногда к человеку приходят гости, иногда кошка бывает у ветеринара – это редкие взаимодействия между соседними ТАДами. А вот на Шпицбергене кошка никогда не бывала (и, скорее всего, никогда не будет, потому что кошкам вход на Шпицберген запрещен) – разные хромосомы друг с другом почти никогда не контактируют.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Notes

1

https://английскийикотики.рф/; https://historyandcats.ru; https://socialandcats.com; https://vk.com/literatureandcats; https://podrostkikotiki.tilda.ws/ и т. д. – Здесь и далее – прим. авторов, если не указано иное.

2

Фелинология – это наука о кошках, а фелинолог – это человек, который кошек изучает.

3

Нет, не похожи. Это хозяева собак похожи на своих питомцев, а мы – нет.Bender Y. et al. Like owner like dog – A systematic review about similarities in dog-human dyads. Personality and Individual Differences 233 (2025): 112884.

4

Нам так и не удалось найти ссылку на конкретный эксперимент.

5

Tyrosinase. Proteopedia (https://proteopedia.org/wiki/index.php/Tyrosinase).

6

Мы такими вещами не занимаемся, поэтому, пожалуйста, не посылайте нам запросы на секвенирование ваших котов.

7

В кодирующих генах закодирована последовательность аминокислот в белке, в некодирующих, соответственно, такой информации нет.

8

Так как ДНК – это двухцепочечная молекула, то ее длина указывается в парах нуклеотидов.

9

Ген с самым большим числом экзонов – 365 – это ген коннектина, белка, который участвует в сокращении мышечных клеток. Генов с единственным экзоном много, например SRY (Sex-determining region Y protein). Он запускает развитие эмбриона по мужскому пути.

10

Полезность и вредность мутации или признака – понятия относительные и зависят от конкретных условий, в которых живет организм.

11

О том, как гены передаются из поколения в поколение, мы поговорим чуть позже, в главе 7.

12

С Сиамом (ныне Таиланд) граничит Бирма (ныне Мьянма), которая подарила миру две породы: бУрманскую (англ. Burmese) и бИрманскую (англ. Birman). Бу́рманские кошки являются гомозиготами cb/сb, а би́рманские – гомозиготами cs/cs (да, у них такой же сиамский окрас, как и у сиамских кошек). Нас всегда интересовал вопрос, кому и как пришло в голову называть кошек из Бирмы бУрманскими. От котоводов мы узнали старинную легенду: для того, чтобы как-то разграничить две породы из Бирмы, было решено у одной из них заменить букву И на У. Самое интересное, что никто не знает, кто и когда принял это решение, хотя кошки Burmese попали в Россию всего около 30 лет назад. Недостающие кусочки пазла нам удалось извлечь из истории распространения этих пород по миру. Порода Birman из Бирмы в первую очередь попала во Францию, где ее впервые официально зарегистрировали в 1925 году и дали французское название Birmanie, что произносится как “бирмани”. Породу Burmese выводили в США и на английском название звучит как “бурмиз”. Нетрудно догадаться, что русские названия пород на самом деле произошли от кальки с французского и английского языка. В этой книге мы будем придерживаться устоявшихся названий: кошек породы Burmese называть бурманскими, а кошек породы Birman – бирманcкими.