Когда заходит разговор о классических объектах генетики, мы обычно вспоминаем горох, плодовую мушку дрозофилу, редко – мышь. А сейчас давайте познакомимся с классической генетикой кошки.
Зачем нам это нужно? Ну, хотя бы затем, чтобы вспомнить основные законы генетики не на эмоционально чуждом нам горохе, а на примере хорошо знакомого животного. Кроме того, знание частной генетики кошек поможет кошковладельцам в выведении интересных пород, а простому интеллигентному человеку даст возможность при случае блеснуть эрудицией.
Итак, частная генетика кошки. Возьмем за точку отсчета нормального кота или кота «дикого типа», то есть животное, в фенотипе которого не обнаруживаются эффекты мутантных генов. У этого кота серая окраска, темные полосы на теле и относительно короткая прямая шерсть. Волос кошки дикого типа содержит два вида пигмента: черный (эумеланин) и желтый (феомеланин). Эти два пигмента и дают типичную для большинства млекопитающих серую, или агути-окраску. На фоне агути-окраски у большинства кошек можно видеть темные полосы, состоящие из черных волос. Количество пигментных гранул в них увеличено. Распределение и форма этих полос очень разнообразны. Если бы в кошачьем обществе существовал уголовный розыск, то коты-следователи могли бы использовать эти полосы для идентификации личности с таким же успехом, как люди – отпечатки пальцев. Шерсть на брюхе, на ушах и подбородке у кошек дикого типа значительно светлее, чем на спине.
Дав определение нормальному коту, посмотрим, как выглядят его мутантные собратья.
Что такое мутация, мы с вами хорошо знаем. Это наследуемое изменение генетического материала. Мы знаем также, что каждая особь содержит в любой своей клетке, кроме половых, каждую хромосому в двух экземплярах. Напомним, что представители одной пары хромосом называются гомологами. Если оба гомолога содержат один и тот же аллель (нормальный или мутантный), то особь с таким генотипом называют гомозиготной, или гомозиготой. Если же гомологи несут разные аллели: у одного гомолога нормальный ген дикого типа, а другой – мутантный, – то такую особь называют гетерозиготной по данному гену, или гетерозиготой.
Мутации бывают доминантными и рецессивными по отношению к генам дикого типа. Доминантная мутация заметна фенотипически, если она досталась потомку хотя бы от одного родителя, то есть проявляется как в гомо-, так и в гетерозиготе. Для проявления рецессивной мутации необходимо, чтобы оба родителя передали ее потомку. Такая мутация заметна только у гомозигот. Эффекты мутаций в фенотипе проявляются из-за изменения нормального процесса развития. Чтобы понять механизм действия мутантных генов у кошки, нам нужно рассмотреть процесс нормального развития окраски, который эти мутации изменяют.
Развитие кошачьего организма, как, впрочем, и любого другого, начинается со слияния половых клеток. И спермий, и яйцеклетка содержат гаплоидный набор хромосом – каждый гомолог представлен в одном экземпляре. При оплодотворении восстанавливается диплоидный, парный набор хромосом. Возникшая от их слияния зигота начинает дробиться, клетки делятся, и на определенном этапе онтогенеза происходит детерминация эмбриональных клеток к выполнению определенных функций. Как происходит специализация клеток – до сих пор не ясно. Предполагается, что в них избирательно активируются те участки ДНК, те гены, которые необходимы для выполнения специфических функций для определенной ткани.
Вдоль нервной трубки эмбриона выделяется группа инициаторных зачатковых клеток, нацеленная на формирование окраски. Эти клетки, как и другие, несут диплоидный набор аутосом и две половые хромосомы: XX – у самок и ХУ – у самцов. Как это ни обидно для самцов, но в их У-хромосоме очень мало активного генетического материала. Для компенсации избыточной дозы генов у самок одна из Х-хромосом в каждой клетке в период детерминации случайно и необратимо инактивируется. Случайно, потому что в каждой инициаторной клетке отцовская или материнская Х-хромосома инактивируется, и равновероятно и необратимо, так как все потомки инициаторной клетки будут иметь инактивированной ту же Х-хромосому (отцовскую или материнскую), что и она.
В кошачьей Х-хромосоме обнаружена мутация, приводящая к уменьшению количества эумеланина (черного пигмента). Обозначается она символом О. Гетерозиготные (О/У) коты и гомозиготные по этой мутации кошки (О/О) будут иметь рыжую окраску, поскольку пигментные клетки вырабатывают в основном желтый пигмент.
Как будут выглядеть кошки, гетерозиготные по этой мутации (О/+)? Одна из их Х-хромосом несет мутантный ген О, а другая – нормальный +. Клетки с инактивированной мутантной Х-хромосомой будут синтезировать оба пигмента и давать нормальную окраску, а те клетки, в которых выключена нормальная хромосома и работает мутантная, – оранжевую. Так что, если вы увидите кошку, у которой шкурка похожа на лоскутное одеяло и состоит из серых и рыжих кусочков (таких кошек иногда называют трехцветными, или черепаховыми), знайте: перед вами гетерозигота по мутации О. Причем с вероятностью 9999 из 10 000 можете быть уверены, что это самка. Дарвин отмечал эту удивительную приуроченность черепаховой окраски к женскому полу у кошек. У самцов она встречается чрезвычайно редко и в связи с тем, что у них в таких случаях присутствует добавочная Х-хромосома.
Однако, рассматривая мутацию О, мы забежали немного вперед. Вернемся к моменту детерминации. В это время клетки специализируются на выполнении функций пигментообразования и получают название меланобластов. Они делятся и начинают мигрировать из нервной трубки к местам назначения в эпидермис, туда, где их поджидают дифференцирующие1 волосяные фолликулы. Однако этот процесс может быть прерван в самом начале, если хотя бы одна из хромосом несет доминантную мутацию W. Животные, гомо– (W/W) и гетерозиготные (WY+) по этой мутации, имеют белую окраску, так как меланобласты не могут дойти до волос.
Эффект гена W может служить хорошим примером явления эпис-таза, или подавления эффектов неаллельных генов: генетически рыжие и генетически серые коты, имея в своем генотипе мутацию W, будут одинаково белыми. Еще одно генетическое явление иллюстрирует собой ген W – плейотропию, или множественное действие гена. Эта мутация нарушает пролиферацию не только меланобластов, но и других производных нервной трубки. Этим объясняется отмеченная еще Дарвином «загадочная» корреляция между белым цветом шерсти, голубым цветом глаз и глухотой у кошек. Такое сильное и раннее повреждение развития у носителей данной мутации приводит к снижению их плодовитости и жизнеспособности.
Это является общим правилом: чем раньше в онтогенезе включается мутантный ген, тем шире спектр его плейотропных проявлений, поскольку даже незначительное, но раннее повреждение определенной структуры вызывает каскад изменений во всех других структурах, которые от нее происходят или зависят в своем развитии.
Если бы кошки были предоставлены сами себе, то эта мутация давно была бы стерта с лица Земли. Однако восторженное отношение к белым котам со стороны кошковладельцев, а также их тщеславие («Ни у кого нет такого кота, а у меня есть») приводят к тому, что этот вредный аллель не исчезает из популяции кошки. Можно ожидать, что результатом такого поддерживающего отбора со временем станет уменьшение неблагоприятных плейотропных эффектов аллеля W и повышение плодовитости и жизнеспособности его носителей.
* * *

* * *
На пути меланобластов от нервной трубки к волосяному фолликулу может встать еще одно препятствие. У животных, гомо– и гетерозиготных по доминантной мутации S, скорость миграции меланобластов замедлена. Такие клетки не успевают добраться к фолликулам в определенных участках тела до конца их дифференцировки, и эти участки остаются неокрашенными.
Здесь мы с вами вспомним еще одно понятие генетики – гены-модификаторы. Этим термином обозначают гены, которые могут тем или иным способом влиять на проявление главного гена, ответственного за определенный признак. Они могут усиливать или ослаблять его эффект. В данном случае гены контролируют либо темп дифференцировки волосяных фолликулов, либо плотность тканей, через которые мигрируют меланобласты. Сочетаясь в разных вариантах, они создают различия в генетическом фоне, и общее для всех носителей гена S торможение миграции меланобластов приводит к фенотипически разным результатам (в смысле локализации и размера белого пятна).
В зависимости от набора генов-модификаторов фенотипическое проявление мутации может изменяться от маленького белого пятнышка на груди до настолько значительного расширения белых мест, что на их фоне участки нормальной окраски кажутся пятнами.
Проследим далее судьбу меланобластов. Вот они достигли волосяных фолликулов, вошли в них и здесь заканчивают свою дифференцировку. Теперь меланобласты получают название меланоцитов и приступают к синтезу пигментов, черного и желтого. Этот процесс может быть нарушен целым рядом мутаций. Одну из них мы уже рассмотрели (О). Эффект этого гена (подавление синтеза черного пигмента) проявляется только в меланоците.
Другая мутация, «а», приводит в гомозиготном состоянии к нарушениям распределения желтого пигмента вдоль по волосу. У носителей этой мутации шерсть черная, и их совершенно безосновательно подозревают в близком знакомстве с врагом рода человеческого. Эффект этого гена не проявляется в клетках с генотипом О/О и О/К.
Также может быть нарушен синтез обоих типов пигмента. Фермент тирозиназа играет ключевую роль в процессе превращения тирозина в меланин. Дефект в функции этого фермента обычно становится причиной возникновения разных вариантов альбинизма. Предполагают, что таким дефектом обладают сиамские кошки. В данном случае функция тирозиназы не нарушена полностью, как у белых мышей. У сиамских кошек активность этого фермента во многом определяется температурой. При нормальной температуре тела его активность резко снижена, а при пониженной он способен выполнять свою функции. Именно поэтому в тех частях тела, где температура снижена – на ушах, носу, хвосте, конечностях, – формируются интенсивно окрашенные участки, а туловище окрашено значительно слабее.
Вот вам пример взаимодействия генотипа со средой: если сиамского кота выращивать на холоде, он будет совсем темный, а если прикладывать к его конечностям грелку, он вырастет светлым.
Мутации затрагивают не только синтез пигмента, но и структуру пигментных гранул в волосе. Примером мутации такого типа служит мутация ослабления окраски – «d». Этот ген не контролирует количество пигментов, а определяет форму меланоцитов. Мутантные мелано-циты имеют короткие дендритные отростки и передают незначительное количество пигментных гранул в волос. Гранулы в таком волосе распределяются не равномерно, а образуют локальные скопления. Создается впечатление ослабленной окраски, хотя интенсивность синтеза пигмента нормальная. Эта мутация существенно влияет на проявление других мутантных генов. Ген О у животных, гомозиготных по мутации «d», дает кремовую окраску, а гомозиготы по генам «аа» и «dd» выглядят серовато-голубыми.
Мы уже говорили о полосах на теле у кошек. Как они получаются в процессе пигментогенеза, непонятно. По признаку полосатости обнаружены мутации двух типов: доминантная, которая препятствует формированию рисунка на всем теле – он есть только на голове, конечностях и хвосте, и рецессивная, которая в гомозиготном состоянии превращает полосы в разводы причудливой формы. Вот мы с вами и разобрались с самыми распространенными мутациями окраски. Теперь вы можете в какой-то мере предсказывать расцветку будущих котят, зная масть их родителей. Например, у вас есть кошка дикого типа (+/+), которая скрещивается с рыжим котом (О/У). Можно заранее утверждать почти со стопроцентной гарантией, что все самочки, потомки от этого скрещивания, будут мозаичными, а все самцы – дикого типа.
Другой вариант. Скрещиваем двух животных с белыми пятнами. Здесь предсказание носит уже вероятностный характер. Если оба (или хотя бы одно из них) гомозиготы (S/S), то все потомки будут пегими. Если же оба гетерозиготы (5/+), то 25 % потомства будет не пегим.
Третий вариант. Скрещиваем серого полосатого кота с серой полосатой кошкой. Вот тут уже точно ничего нельзя сказать заранее. Они могут быть (а могут и не быть) гетерозиготны по самым разным рецессивным генам. И тогда в их потомстве могут появиться и черные, и дымчатые, и мраморные, и даже сиамские котята. Так что заранее не предугадаешь. И это как раз самое интересное. Более или менее точно можно сказать, чего не должно быть в потомстве такой пары: рыжих, белых и пегих. Да и то без стопроцентной гарантии. Почему?
Здесь придется ввести еще одно понятие: пенетрантность – процент особей, проявляющих мутантный фенотип среди всех особей, имеющих мутантный ген. Проявление или непроявление мутантного гена может зависеть от самых разных причин: от генетического фона, на котором работает этот ген, от внешних условий, в которых протекает развитие, и, наконец, от чистой случайности. Возьмем, например, гетеро-зиготу по мутации О. Вы уже знаете, что она должна выглядеть как лоскутное одеяло – кусок рыжий, кусок серый. Причина такой лоскутности – случайная инактивация мутантной или нормальной Х-хромосомы в инициаторной клетке. Для каждой Х-хромосомы вероятность инактивации равна. В принципе, можно допустить возможность, что у этой кошки во всех меланобластах окажется инактивированной мутантная Х-хромосома (хотя не исключено, что при 10 бросаниях монетки 10 раз выпадет решка). У такой кошки не будет рыжих пятен. Однако поскольку в половых клетках инактивации Х-хромосом не бывает, половина самцов в ее потомстве родится рыжими.
Вы, конечно, понимаете, что мутации могут возникать не только в генах, контролирующих окраску, но и в любых других.
Есть мутации, нарушающие структуру шерсти. Самая обычная из них – это мутация, которая в гомозиготе дает пушистую шерсть, характерную для ангорских, персидских и сибирских кошек. Более редкая мутация приводит к формированию волнистой шерсти. Известны мутации, затрагивающие длину хвоста (как у всемирно известных кошек с острова Мэн), форму ушей и даже их количество. Да-да, количество! У кошек, гомозиготных по мутации «dp», вследствие дупликации ушной раковины вырастают четыре уха.
Мэновские кошки интересны для нас тем, что у них проявление мутантного гена в гомо– и в гетерозиготном состоянии резко различается. Гетерозиготы (Мх/+) имеют вместо хвоста обрубок или кисточку и больше ничем от нормальных кошек не отличаются. Гораздо тяжелее проявление этого гена в гомозиготе. Такие животные не доживают до рождения и гибнут на ранних стадиях развития.