Про кішок і мишок, Про гени, мутанти і не тільки, Дивовижна біологія, Література
Навігація: Початок Зміст Інші книги
Про кішок та мишок
Коли йдеться про класичні об'єкти генетики, ми зазвичай згадуємо горох, плодову мушку дрозофілу, рідко - мишу. А зараз давайте познайомимося із класичною генетикою кішки.
Навіщо нам це потрібне? Ну, хоча б для того, щоб згадати основні закони генетики не на емоційно чужому нам гороху, а на прикладі добре знайомої тварини. Крім того, знання приватної генетики кішок допоможе кошковласникам у виведенні цікавих порід, а простій інтелігентній людині дасть можливість при нагоді блиснути ерудицією.
Отже, приватна генетика кішки. Візьмемо за точку відліку нормального кота чи кота «дикого типу», тобто тварина, у фенотипі якої не виявляються ефекти мутантних генів. У цього кота сіре забарвлення, темні смуги на тілі та відносно коротка пряма шерсть. Волосся кішки дикого типу містить два види пігменту: чорний (еумеланін) та жовтий (феомеланін). Ці два пігменти і дають типову для більшості ссавців сіру, або агуті-фарбування. На тлі агуті-фарбування у більшості кішок можна бачити темні смуги, що складаються з чорного волосся. Кількість пігментних гранул у них збільшено. Розподіл та форма цих смуг дуже різноманітні. Якби в котячому суспільстві існував карний розшук, то коти-слідчі могли б використовувати ці смуги для ідентифікації особистості з таким самим успіхом, як люди – відбитки пальців. Шерсть на череві, на вухах та підборідді у кішок дикого типу значно світліша, ніж на спині.
Давши визначення нормальному коту, побачимо, як виглядають його мутантні побратими.
Що таке мутація ми з вами добре знаємо. Це зміна генетичного матеріалу, що успадковується. Ми знаємо також, щокожна особина містить у будь-якій своїй клітині, крім статевих, кожну хромосому у двох примірниках. Нагадаємо, що представники однієї пари хромосом називають гомологами. Якщо обидва гомологи містять один і той же алель (нормальний або мутантний), то особину з таким генотипом називають гомозиготною або гомозиготою. Якщо ж гомологи несуть різні алелі: в одного гомолога нормальний ген дикого типу, а інший - мутантний, - таку особливість називають гетерозиготною за цим геном, або гетерозиготою.
Мутації бувають домінантними та рецесивними по відношенню до генів дикого типу. Домінантна мутація помітна фенотипно, якщо вона дісталася нащадку хоча б від одного з батьків, тобто проявляється як у гомо-, так і в гетерозиготі. Для прояву рецесивної мутації необхідно, щоб обоє батьків передали її нащадку. Така мутація помітна лише у гомозигот. Ефекти мутацій у фенотипі проявляються через зміну нормального розвитку. Щоб зрозуміти механізм дії мутантних генів у кішки, нам потрібно розглянути процес нормального розвитку забарвлення, який змінюють ці мутації.
Розвиток котячого організму, як, втім, будь-якого іншого, починається зі злиття статевих клітин. І спермій, і яйцеклітина містять гаплоїдний набір хромосом – кожен гомолог представлений в одному екземплярі. При заплідненні відновлюється диплоїдний парний набір хромосом. Зигота, що виникла від їх злиття, починає дробитися, клітини діляться, і на певному етапі онтогенезу відбувається детермінація ембріональних клітин до виконання певних функцій. Як відбувається спеціалізація клітин – досі не зрозуміло. Передбачається, що в них вибірково активуються ті ділянки ДНК, ті гени, які необхідні для виконання специфічних функцій певної тканини.
Уздовж нервовоїтрубки ембріона виділяється група ініціаторних зачаткових клітин, орієнтована формування забарвлення. Ці клітини, як і інші, несуть диплоїдний набір аутосом та дві статеві хромосоми: XX – у самок та ХУ – у самців. Як це не прикро для самців, але в їхній У-хромосомі дуже мало активного генетичного матеріалу. Для компенсації надлишкової дози генів у самок одна з Х-хромосом у кожній клітині в період детермінації випадково та незворотно інактивується. Випадково, тому що в кожній ініціаторній клітині батьківська або материнська Х-хромосома інактивується, і рівноймовірно і необоротно, тому що всі нащадки ініціаторної клітини матимуть інактивовану ту ж Х-хромосому (батьківську чи материнську), що і вона.
У котячій Х-хромосомі виявлено мутацію, що призводить до зменшення кількості еумеланіну (чорного пігменту). Позначається вона символом О. Гетерозиготні (О/У) коти та гомозиготні за цією мутацією кішки (О/О) матимуть руде забарвлення, оскільки пігментні клітини виробляють переважно жовтий пігмент.
Як виглядатимуть кішки, гетерозиготні за цією мутацією (О/+)? Одна з них Х-хромосом несе мутантний ген, а інша - нормальний +. Клітини з інактивованою мутантною Х-хромосомою синтезуватимуть обидва пігменти і даватимуть нормальне забарвлення, а ті клітини, в яких вимкнено нормальну хромосому і працює мутантну, – помаранчеву. Так що, якщо ви побачите кішку, у якої шкірка схожа на ковдру і складається з сірих і рудих шматочків (таких кішок іноді називають триколірними, або черепаховими), знайте: перед вами гетерозигота по мутації О. Причому з ймовірністю 9999 з 10 000 можете бути впевнені, що це самка. Дарвін відзначав цю дивовижну приуроченість черепахового забарвлення до жіночої статі у кішок. У самців вона зустрічається надзвичайно рідко і взв'язку з тим, що у них у таких випадках присутня додаткова Х-хромосома.
Проте, розглядаючи мутацію, ми забігли трохи вперед. Повернемося на момент детермінації. У цей час клітини спеціалізуються на виконанні функцій пігментоутворення та одержують назву меланобластів. Вони діляться і починають мігрувати з нервової трубки до місць призначення в епідерміс, туди, де їх чекають волосяні фолікули, що диференціюють [1]. Однак цей процес може бути перерваний на самому початку, якщо хоча б одна з хромосом несе домінантну мутацію W. Тварини, гомо- (W/W) і гетерозиготні (WY+) за цією мутацією, мають біле забарвлення, оскільки меланобласти не можуть дійти до волосся.
Ефект гена W може бути хорошим прикладом явища епістазу, або придушення ефектів неалельних генів: генетично руді та генетично сірі коти, маючи у своєму генотипі мутацію W, будуть однаково білими. Ще одне генетичне явище ілюструє собою ген W – плейотропію, або множину гена. Ця мутація порушує проліферацію не лише меланобластів, а й інших похідних нервової трубки. Цим пояснюється відзначена ще Дарвіном «загадкова» кореляція між білим кольором вовни, блакитним кольором очей та глухотою кішок. Таке сильне та раннє пошкодження розвитку у носіїв даної мутації призводить до зниження їх плодючості та життєздатності.
Це є загальним правилом: чим раніше в онтогенезі включається мутантний ген, тим ширший спектр його плейотропних проявів, оскільки навіть незначне, але раннє ушкодження певної структури викликає каскад змін у всіх інших структурах, які від неї походять або залежать у своєму розвитку.
Якби кішки були надані самі собі, то ця мутація давно була б стерта з Землі. Проте захопленеставлення до білих котів з боку кошковласників, а також їхня марнославство («Ні у кого немає такого кота, а в мене є») призводять до того, що цей шкідливий аллель не зникає з популяції кішки. Очікується, що результатом такого підтримуючого відбору з часом стане зменшення несприятливих плейотропних ефектів алелю W та підвищення плодючості та життєздатності його носіїв.
На шляху меланобластів від нервової трубки до волосяного фолікула може стати ще одна перешкода. У тварин, гомо-і гетерозиготних за домінантною мутацією S, швидкість міграції меланобластів уповільнена. Такі клітини не встигають дістатися фолікулів у певних ділянках тіла до кінця їх диференціювання, і ці ділянки залишаються незабарвленими.
Тут ми з вами згадаємо ще одне поняття генетики – гени-модифікатори. Цим терміном позначають гени, які можуть у той чи інший спосіб впливати на прояв головного гена, відповідального за певну ознаку. Вони можуть посилювати чи послаблювати його ефект. У разі гени контролюють або темп диференціювання волосяних фолікулів, або щільність тканин, якими мігрують меланобласти. Поєднуючись у різних варіантах, вони створюють відмінності в генетичному тлі, і загальне для всіх носіїв гена S гальмування міграції меланобластів призводить до фенотипно різних результатів (у сенсі локалізації та розміру білої плями).
Залежно від набору генів-модифікаторів фенотипічний прояв мутації може змінюватися від маленької білої цятки на грудях до настільки значного розширення білих місць, що на їх тлі ділянки нормального забарвлення здаються плямами.
Простежимо далі долю меланобластів. Ось вони досягли волосяних фолікулів, увійшли до них і тут закінчують своє диференціювання. Тепермеланобласти одержують назву меланоцитів і приступають до синтезу пігментів, чорного та жовтого. Цей процес може бути порушений цілою низкою мутацій. Одну з них ми розглянули (О). Ефект цього гена (пригнічення синтезу чорного пігменту) проявляється лише у меланоциті.
Інша мутація, «а», призводить у гомозиготному стані до порушень розподілу жовтого пігменту вздовж волосся. У носіїв цієї мутації шерсть чорна, і їх абсолютно безпідставно підозрюють у близькому знайомстві з ворогом людського роду. Ефект цього гена не проявляється у клітинах з генотипом О/О та О/К.
Також може бути порушено синтез обох типів пігменту. Фермент тирозиназу відіграє ключову роль процесі перетворення тирозину на меланін. Дефект функції цього ферменту зазвичай стає причиною виникнення різних варіантів альбінізму. Припускають, що такий дефект мають сіамські кішки. У разі функція тирозинази не порушена повністю, як в білих мишей. У сіамських кішок активність цього ферменту багато в чому визначається температурою. При нормальній температурі тіла його активність різко знижена, а при зниженій він здатний виконувати свою функцію. Саме тому в тих частинах тіла, де температура знижена – на вухах, носі, хвості, кінцівках – формуються інтенсивно забарвлені ділянки, а тулуб пофарбований значно слабше.
Ось вам приклад взаємодії генотипу із середовищем: якщо сіамського кота вирощувати на холоді, він буде зовсім темний, а якщо прикладати до його кінцівок грілку, він виросте світлим.
Мутації зачіпають як синтез пігменту, а й структуру пігментних гранул у волоссі. Прикладом такого типу мутації служить мутація ослаблення забарвлення – «d». Цей ген не контролює кількість пігментів, а визначає форму меланоцитів.Мутантні мелано-цити мають короткі дендритні відростки та передають незначну кількість пігментних гранул у волосся. Гранули в такому волоссі розподіляються не рівномірно, а утворюють локальні скупчення. Складається враження ослабленого забарвлення, хоча інтенсивність синтезу пігменту нормальна. Ця мутація істотно впливає прояв інших мутантних генів. Ген Про у тварин, гомозиготних за мутацією «d», дає кремове забарвлення, а гомозиготи за генами «аа» та «dd» виглядають сірувато-блакитними.
Ми вже говорили про смуги на тілі у кішок. Як вони виходять у процесі пігментогенезу, незрозуміло. За ознакою смугастості виявлено мутації двох типів: домінантна, яка перешкоджає формуванню малюнка на всьому тілі – він є тільки на голові, кінцівках та хвості, і рецесивна, яка у гомозиготному стані перетворює смуги на розлучення химерної форми. Ось ми з вами і розібралися із найпоширенішими мутаціями забарвлення. Тепер ви можете певною мірою передбачати забарвлення майбутніх кошенят, знаючи масть їхніх батьків. Наприклад, у вас є кішка дикого типу (+/+), яка схрещується з рудим котом (О/У). Можна наперед стверджувати майже зі стовідсотковою гарантією, що всі самі, нащадки від цього схрещування, будуть мозаїчними, а всі самці - дикого типу.
Інший варіант. Схрещуємо двох тварин із білими плямами. Тут передбачення має вже імовірнісний характер. Якщо обидва (чи хоча б одне з них) гомозиготи (S/S), то всі нащадки будуть пегими. Якщо ж обидва гетерозиготи (5/+), то 25% потомства буде не пегим.
Третій варіант. Схрещуємо сірого смугастого кота із сірою смугастою кішкою. Ось тут уже точно нічого не можна сказати наперед. Вони можуть бути (а можуть і не бути) гетерозиготні за різними рецесивними генами. І тоді в їхньому потомстві можутьз'явитися і чорні, і димчасті, і мармурові, і навіть сіамські кошенята. Тож заздалегідь не передбачиш. І це якраз найцікавіше. Більш менш точно можна сказати, чого не повинно бути в потомстві такої пари: рудих, білих і пігих. Та й без стовідсоткової гарантії. Чому?
Тут доведеться запровадити ще одне поняття: пенетрантність – відсоток особин, які виявляють мутантний фенотип серед усіх особин, які мають мутантний ген. Прояв або непрояв мутантного гена може залежати від різних причин: від генетичного фону, на якому працює цей ген, від зовнішніх умов, в яких протікає розвиток, і, нарешті, від чистої випадковості. Візьмемо, наприклад, гетеро-зиготу за мутацією О. Ви вже знаєте, що вона має виглядати як ковдру - шматок рудий, шматок сірий. Причина такого клаптя – випадкова інактивація мутантної або нормальної Х-хромосоми в ініціаторній клітині. Для кожної Х-хромосоми ймовірність інактивації дорівнює. В принципі, можна припустити можливість, що у цієї кішки у всіх меланобластах виявиться інактивованою мутантна Х-хромосома (хоча не виключено, що при 10 киданнях монетки 10 разів випаде решка). Така кішка не матиме рудих плям. Однак оскільки у статевих клітинах інактивації Х-хромосом немає, половина самців у її потомстві народиться рудими.
Ви, звичайно, розумієте, що мутації можуть виникати не тільки в генах, які контролюють забарвлення, а й у будь-яких інших.
Є мутації, що порушують структуру вовни. Найпростіша з них – це мутація, яка в гомозиготі дає пухнасту шерсть, характерну для ангорських, перських та сибірських кішок. Рідкіша мутація призводить до формування хвилястої вовни. Відомі мутації, що зачіпають довжину хвоста (як у всесвітньо відомих кішок з острова Мен), форму вух і навіть їхкількість. Так-так, кількість! У кішок, гомозиготних по мутації "dp", внаслідок дуплікації вушної раковини виростають чотири вуха.
Менівські кішки цікаві для нас тим, що у них прояв мутантного гена в гомо-і в гетерозиготному стані різко відрізняється. Гетерозиготи (Мх/+) мають замість хвоста обрубок або пензлик і більше нічим від нормальних кішок не відрізняються. Набагато важчим є прояв цього гена в гомозиготі. Такі тварини не доживають до народження та гинуть на ранніх стадіях розвитку.