Наследование нескольких моделей окраски шерсти у собак вызывает споры на протяжении десятилетий. Исследователи, в том числе Тоссо Лееб из Института генетики Бернского университета, наконец, смогли решить загадку. Они не только прояснили, как генетически контролируются образцы окраски шерсти, но и обнаружили, что светлая окраска шерсти белых арктических волков и многих современных собак связана с генетическим вариантом, происходящим от вида, который давно вымер.
Исследование только что было опубликовано в научном журнале Nature Ecology and Evolution.
Два пигмента и «переключатель» для всех окрасов шерсти
Волки и собаки могут вырабатывать два разных типа пигмента: черный, называемый эумеланин, и желтый, феомеланин. Точно регулируемое производство этих двух пигментов в нужное время и в нужном месте на теле приводит к очень разным цветам шерсти.
До начала исследования у собак были выявлены четыре различных паттерна, и было предложено несколько генетических вариантов, которые вызывают эти паттерны. Однако коммерческое генетическое тестирование этих вариантов на многих тысячах собак дало противоречивые результаты, указывая на то, что существующие знания о наследовании окраски шерсти были неполными и не совсем правильными.
Во время формирования цвета шерсти так называемый сигнальный белок агути представляет собой главный выключатель организма для производства желтого феомеланина.
Если присутствует сигнальный белок агути, клетки, продуцирующие пигмент, будут синтезировать желтый феомеланин. Если сигнальный белок агути отсутствует, образуется черный эумеланин. «Мы рано поняли, что причинные генетические варианты должны быть регуляторными вариантами, которые модулируют скорость продукции белка и приводят к увеличению или уменьшению количества сигнального белка агути», – объясняет Тоссо Лееб.
Пять вместо четырех различных окрасов шерсти
Ген сигнального белка агути имеет несколько сайтов инициации чтения генетической информации, которые называются промоторами. У собак, с одной стороны, есть вентральный промотор, который отвечает за выработку сигнального белка агути на животе. С другой стороны, у собак есть дополнительный промотор, специфичный для цикла роста волос, который опосредует выработку сигнального белка агути на определенных стадиях роста волос и способствует образованию полосатых волос.
Впервые исследователи подробно охарактеризовали этих двух промоторов у сотен собак.
Они обнаружили два варианта вентрального промотора. Один из вариантов обеспечивает производство нормального количества сигнального белка агути. Другой вариант имеет более высокую активность и вызывает производство повышенного количества сигнального белка агути.
Исследователи даже идентифицировали три разных варианта промотора, специфичного для цикла волос. Начиная с этих вариантов у отдельных промоторов, исследователи определили в общей сложности пять различных комбинаций, которые вызывают различную окраску шерсти у собак. «Учебники должны быть переписаны, так как их пять вместо ранее принятых четырех разных моделей поведения собак», – говорит Лееб.
Неожиданные выводы об эволюции волков
Поскольку многие геномы волков из разных регионов Земли стали общедоступными, исследователи дополнительно исследовали, существуют ли идентифицированные генетические варианты также у волков. Эти анализы показали, что варианты сверхактивных вентральных и специфичных для волосяного цикла промоторов уже присутствовали у волков до одомашнивания современных собак, которое началось примерно 40 000 лет назад. Скорее всего, эти генетические варианты способствовали адаптации волков с более светлым окрасом шерсти к богатой снегом среде в прошлые ледниковые периоды.
Сегодня полностью белые арктические волки и светлые волки в Гималаях все еще несут эти генетические варианты.
Дальнейшие сравнения последовательностей генов с другими видами семейства canidae дали очень неожиданные результаты. Исследователи смогли показать, что сверхактивный вариант промотора, специфичного для цикла шерсти, у светлых собак и волков имеет больше общего с очень отдаленными видами, такими как золотой шакал или койот, чем с европейским серым волком.
«Единственное правдоподобное объяснение этой неожиданной находки – это древнее происхождение этого варианта, более двух миллионов лет назад, от ныне вымершего родственника волков», – говорит Либ. Сегмент гена, должно быть, был внедрен более двух миллионов лет назад в волков в результате событий гибридизации с этим ныне вымершим родственником волков.
Таким образом, небольшой фрагмент ДНК этого вымершего вида до сих пор встречается у желтых собак и белых арктических волков. «Это напоминает впечатляющее открытие, что современные люди несут в своих геномах небольшую часть ДНК от ныне вымерших неандертальцев», – добавляет Либ.
Исследование стало возможным благодаря творческому отпуску, проведенному проф. Даника Баннаш из Бернского университета, проводящая многолетние исследования генетики окраски шерсти домашних животных.
Баннаш, профессор ветеринарной генетики Калифорнийского университета в Дэвисе, отфильтровал соответствующие варианты промоторов из тысяч других функционально нейтральных генетических вариантов. Эволюционный анализ был проведен Кристофером Кэлином и Грегори Баршем из Института Гудзон-Альфа и Стэнфордского университета.
Исследование финансировалось грантами Швейцарского национального научного фонда SNSF, фондов кафедры Максин Адлер, фонда Джейн и Атос Эркко и Академии Финляндии.