Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Предыстория или при чем здесь Киплинг и Тьюринг

Многообразие рисунков на шерсти кошачьих поражает воображение: будь то полосы у тигра, пятна у леопарда или у разных пород домашних кошек. Повторяющиеся узоры, к которым относятся полосы или пятна, обозначают словом tabby (тэбби).

Среди кошек распространены тигровый (mackerel) и мраморный (blotched) окрасы (рис. 1). Тигровый рисунок характеризуется выраженными черными полосками, а у мраморного они с менее четкими границами. Их развитие связано с разными вариантами гена Ta (Taqpep, известного также как Tabby): для тигрового — аллель Та^М, для мраморного — аллели Ta^b. Он кодирует трансмембранную аминопептидазу Q — белок, регулирующий транспорт веществ в межклеточном пространстве [1].

Темный цвет кошачьей шерсти придает черный пигмент эумеланин, светлый — желтый феомеланин. То, как два эти вещества будут распределены в волосе, зависит от активности генов А (Agouti) и E (Extension), а также Edn3 и Ednrb [1], [2].

Этим ограничивается знание человечества о молекулярной кухне узоров кошачьих. Наверное, самый известный вопрос — «Как леопард получил свои пятна?» от Редьярда Киплинга — так и остался без детального ответа со стороны биологов.

В свое время математик Алан Тьюринг предпринял попытку дать объяснение этому и предложил модель формирования полос и пятен, согласно которой цвет клеток определяется взаимодействием двух диффундирующих веществ с противоположным эффектом — ингибитора и активатора сигнальных путей [3]. Исследователи из Стэнфордского университета выявили участника этих процессов — ген Dkk4, о чем сообщили в статье, опубликованной в журнале Nature Communications [4].

Незапретный плод

Ранее, в работе 2012 года стэнфордские ученые отметили, что следы будущих полос и пятен появляются уже на стадии роста волосяных луковиц [2]. Чтобы понять, как формируются узоры, исследователи изучили ткани кошачьих эмбрионов, полученных при реализации программы по стерилизации бездомных кошек.

Оказалось, что развитие эпидермиса зародыша кошки начиналось с формирования толстых и тонких участков, чередующихся друг с другом. Со временем на месте толстого эпидермиса развивались темные волоски с эумеланином, а на месте тонкого эпидермиса — светлые с феомеланином. Более того, у эмбрионов с активным геном Та (Та^М/Та^М) толстые участки были организованы в колонки, разделенные тонкими участками. У эмбрионов с мутацией в гене (Ta^b/Ta^b) толстые участки были расширены. Получается, рисунок из темных и светлых областей, который был заложен еще на этапе эмбрионального развития, сохраняет свои очертания и у взрослых котиков, разве что изменяется в размерах (рис. 2). Следует отметить, что эмбрионы-гетерозиготы (Та^М/Та^b) также принимали участие в исследовании, и далее об этом будет сказано. Но какие-либо выводы о том, как изменяется строение их кожи в эмбриогенезе, авторы отдельно не сообщили.

Wat? Нет, Wnt и ген Dkk4

Далее исследователи предположили, что существует определенный молекулярный механизм, предшествующий разделению эпидермиса. Они оценили экспрессию генов в одиночных клетках, взяв у зародышей кошки образцы тканей кожи с высоким количеством кератиноцитов — основных клеток эпидермиса. Анализ выявил две группы кератиноцитов, которые различались по уровню экспрессии 277 генов. Однако наиболее значительной была разница в активности гена Dkk4.

При помощи метода in situ гибридизации ученые обнаружили, что высокий уровень экспрессии Dkk4 отмечен на участках толстого эпидермиса. Распространение зон его активности также зависело от вариантов гена Ta: у эмбрионов с мутантным аллелем Ta^b/Ta^b зоны были шире по сравнению с эмбрионами генотипов Ta^M/Ta^b и Ta^M/Ta^M (рис. 3).

В Dkk4-положительных кератиноцитах исследователи обнаружили повышенную активность не только Dkk4, но и других генов сигнального пути Wnt, по сравнению с группой Dkk4-отрицательных клеток [5]. Интересно, что гены-активаторы Wnt кодируют белки ближнего действия, в то время как гены-ингибиторы, включая Dkk4 — дальнего. Таким образом, активация Wnt-пути происходит благодаря клеткам из ближайшего окружения, а подавление — из дальнего (рис. 4). Это согласуется с моделью Тьюринга, предполагающей взаимодействие ингибиторов и активаторов в процессе связывания с соответствующими мишенями.

Таким образом, особенности узора, который закладывается уже у эмбрионов кошек, зависят от состояния сигнального пути Wnt и, в частности, от активности его гена-регулятора Dkk4.

Полосы, пятна и другие кошачьи узоры

Ученые сделали еще одно интересное наблюдение, согласно которому мутации в гене Dkk4 влияют на формирование окраса шерсти у определенных пород кошек. Исследователи проанализировали данные проекта 99 Lives по секвенированию кошачьего генома. Они выявили 2 варианта гена Dkk4 с заменами — p.Ala18Val (замена аланина, 18-ой аминокислоты в составе кодируемого белка, на валин) и p.Cys63Tyr (замена цистеина, 63-ей аминокислоты в составе кодируемого белка, на тирозин), которые, вероятно, кодируют нерабочий белок. Опираясь на текст статьи о структуре и функции белка DKK4 [6], ученые предположили, что первая замена нарушает отщепление сигнального пептида, а вторая — формирование дисульфидной связи в цистеиновом узле CRD1.

Измененные аллели встречались у пород с однородным окрасом без выраженных пятен: у бурманских, абиссинских и сиамских кошек. Напротив, у пятнистых пород, как египетские мау, оцикеты и бенгальские кошки, указанные выше мутации не обнаружили (рис. 5). Для ориенталов и кошек без породы возможно как наличие, так и отсутствие описанных «нерабочих» аллелей.

Эффект Dkk4 зависел от взаимодействия с другими генами. Например, у сервалин и кошек породы Саванна с узнаваемым мелкопятнистым узором уменьшены размеры зон кератиноцитов, экспрессирующих Dkk4, но увеличено их число из-за воздействия гена Ticked (рис. 6). О локусе Ticked (Ti^A) известно, что у кошек он принадлежит хромосоме В1 и маскирует полосы и пятна у абиссинских и бурманских пород. В случае сервалин и представителей породы Саванна этот ген не устранял элементы узора, а вместе с Dkk4 был задействован в формировании мелких пятен.

Заключение

Проведенное исследование замечательно по нескольким причинам. Во-первых, оно посвящено котикам. Во-вторых, эта фундаментальная работа раскрывает молекулярные механизмы формирования узоров на шерстке пушистых хвостиков, включая приобретение пятен леопардом, интересное для Р. Киплинга. И в-третьих, если верить пресс-релизу, авторы продолжат исследования, поскольку существуют другие гены, определяющие появление пятен и полос у кошек. А, значит, не за горами новые исследования и открытия, касающиеся любимых кошек.

Литература

1. «Элементы»: «Кошки и гены: 40 лет спустя»;
2. Christopher B. Kaelin, Xiao Xu, Lewis Z. Hong, Victor A. David, Kelly A. McGowan, et. al.. (2012). Specifying and Sustaining Pigmentation Patterns in Domestic and Wild Cats. Science. 337, 1536-1541;
3. Hans Meinhardt, Alfred Gierer. (2000). Pattern formation by local self-activation and lateral inhibition. Bioessays. 22, 753-760;
4. Christopher B. Kaelin, Kelly A. McGowan, Gregory S. Barsh. (2021). Developmental genetics of color pattern establishment in cats. Nat Commun. 12;
5. Важнейшие стрелочники клеток организма: белки Wnt;
6. Saleha Patel, Alice M. Barkell, Deepti Gupta, Sarah L. Strong, Shaun Bruton, et. al.. (2018). Structural and functional analysis of Dickkopf 4 (Dkk4): New insights into Dkk evolution and regulation of Wnt signaling by Dkk and Kremen proteins. Journal of Biological Chemistry. 293, 12149-12166.