Большинство рыжих котов — мальчики, причуда кошачьей генетики, которая также объясняет, почему почти все трехцветные и черепаховые — девочки. Спустя 60 лет ученые узнали, почему рыжие, трехцветные и черепаховые кошки выглядят именно так.
Ученые, интересующиеся этими половыми различиями, или, возможно, просто любители кошек, потратили более 60 лет на безуспешные поиски гена, который вызывает рыжий мех и поразительную мозаику цветов у калико и черепаховых. Теперь две группы независимо друг от друга нашли долгожданную мутацию и открыли белок, который влияет на цвет шерсти таким образом, который никогда ранее не наблюдался ни у одного животного.
Ученые давно зачарованы черепаховыми и трехцветными кошками: потомством черной кошки и рыжей кошки. Разноцветные кошки от такого скрещивания почти всегда самки, что предполагает, что вариант гена, который делает шерсть оранжевой или черной, находится в X-хромосоме. Мужское потомство от такого скрещивания, как правило, одноцветное, потому что они наследуют X-хромосому только одного родителя: мы можем предположить, например, что мать Гарфилда рыжая, потому что он унаследовал свою единственную X-хромосому от нее.
Но самки кошек наследуют Х-хромосому от каждого родителя. Клеткам обычно не нужны обе, поэтому во время эмбрионального развития каждая клетка случайным образом выбирает одну Х-хромосому для экспрессии генов. Другая хромосома сворачивается в почти инертный шар — явление, называемое инактивацией Х-хромосомы. В результате у черепаховых кошек появляются отдельные участки черного и оранжевого меха в зависимости от того, какая хромосома была инактивирована в этой части их кожи. У кошек калико белый мех добавляется в смесь, потому что у них есть второй, не связанный с ними генетический механизм, который отключает выработку пигмента в некоторых клетках.
У большинства млекопитающих, включая людей, рыжие волосы вызваны мутациями в одном белке клеточной поверхности, Mc1r, который определяет, будут ли клетки кожи, называемые меланоцитами, вырабатывать темный пигмент или более светлый красно-желтый пигмент в коже или волосах. Мутации, которые делают Mc1r менее активным, заставляют меланоциты «застревать», вырабатывая светлый пигмент.
Но ген, кодирующий Mc1r, похоже, не объясняет, откуда взялась рыжая шерсть у кошек. Он не находится на X-хромосоме у кошек или других видов, и у большинства рыжих кошек нет мутаций Mc1r. «Это генетическая загадка, головоломка», — говорит Грег Барш, генетик из Стэнфордского университета.
Чтобы решить эту проблему, команда Барша собрала образцы кожи у четырех оранжевых и четырех не оранжевых плодов кошек в клиниках стерилизации и кастрации. В качестве прокси для определения того, как отдельные клетки кожи экспрессируют гены, исследователи измерили количество РНК, которое производил каждый меланоцит, и определили ген, который он кодировал. Они обнаружили, что меланоциты оранжевых кошек производили в 13 раз больше РНК из гена под названием Arhgap36 . Ген расположен на Х-хромосоме, что навело команду на мысль, что у них есть ключ к оранжевому цвету.
Но когда исследователи изучили генетическую последовательность Arhgap36 у рыжих кошек, они не обнаружили никаких мутаций в ДНК, кодирующей белок Arhgap36. Вместо этого они обнаружили, что у рыжих кошек отсутствует близлежащий участок ДНК, который не влияет на аминокислотные компоненты белка, но может участвовать в регуляции того, сколько его производит клетка. Сканируя базу данных из 188 геномов кошек, команда Барша обнаружила, что у каждой рыжей, ситцевой и черепаховой кошки была точно такая же мутация. Группа сообщает об открытии на сервере препринтов bioRxiv.
Отдельное исследование, также опубликованное на bioRxiv, подтверждает эти выводы . Аналогичные эксперименты, проведенные биологом развития Хироюки Сасаки из Университета Кюсю и его коллегами, выявили ту же генетическую делецию у 24 диких и домашних кошек из Японии, а также среди 258 геномов кошек, собранных по всему миру. Они также обнаружили, что кожа трехцветных кошек имела больше РНК Arghap36 в оранжевых областях, чем в коричневых или черных областях. Более того, группа Сасаки задокументировала, что гены Arhgap36 у мышей, кошек и людей приобретают химические модификации, которые подавляют их на одной из двух X-хромосом у самок, что предполагает, что ген подвержен X-инактивации.
Когда Барш и Сасаки узнали, что их команды обнаружили одну и ту же мутацию, они решили опубликовать свои препринты одновременно. (Поскольку это препринты, ни одно из исследований не было рецензировано.) Обе группы также обнаружили, что увеличение количества Arhgap36 в меланоцитах активирует молекулярный путь, который переключает клетки на выработку светло-красного пигмента независимо от того, активен ли MC1r.
Никто ранее не знал, что Arhgap36 может влиять на окраску кожи или шерсти — он участвует во многих аспектах эмбрионального развития, и крупные мутации, которые влияют на его функцию во всем организме, вероятно, убьют животное, говорит Барш. Но поскольку делеционная мутация, по-видимому, влияет только на функцию Arhgap36 в меланоцитах, кошки с мутацией не только здоровы, но и милы.
По словам Брауна, паттерн инактивации Arhgap36 у калико и черепаховых кошек типичен для гена на Х-хромосоме, но необычно, что мутация делеции делает ген более активным, а не менее. «Вероятно, в кошках есть что-то особенное».
Эксперты в восторге от двух исследований. «Это долгожданный ген», — говорит Лесли Лайонс, генетик кошек из Университета Миссури. Открытие нового молекулярного пути цвета шерсти было неожиданным, говорит она, но ее не удивляет, насколько сложными кажутся взаимодействия. «Ни один ген не существует сам по себе».
Лайонс хотела бы узнать, где и когда впервые появилась мутация: есть некоторые доказательства, говорит она, что некоторые мумифицированные египетские кошки были рыжими. Исследования окраса кошек выявили всевозможные явления, говорит она, включая то, как окружающая среда влияет на экспрессию генов. «Все, что вам нужно знать о генетике, вы можете узнать от своей кошки».
