«Свинячьи законы»

Лаборантка Стелла считала кошек и котов в потомстве аккуратно и даже (в отличие от профессора) владела навыками статистической обработки данных. Так что все расщепления остались бы такими же и при большем числе потомков.

Когда профессор попытался получить чистые линии трехцветных кошек в разных вивариях, из большинства мест он получил вежливые отказы и сообщения, что таких линий нет и не предвидится. Но один нечуткий заведующий виварием посоветовал профессору перечитать любой университетский учебник генетики — совет явно неуместный, поскольку профессор учился до революции, кончал двухлетнюю сельскую школу и университетских учебников генетики сроду не читал.

Чтобы ответить на последний вопрос задачи, нужно вспомнить сами законы — их формулировки приводятся, например, здесь. Отвечать придется отдельно для каждого из законов — единообразия гибридов, расщепления, чистоты гамет и независимого наследования.

В соседнем институте в виварии он раздобыл морских свинок двух чистых линий — черных и трехцветных (рис. 1) — и стал их скрещивать. В первом поколении потомков все свинки были черными (некоторые, правда, с белыми отметинами), во втором — 3/4 черных (часть тоже с белыми пятнами) и 1/4 трехцветных.«Эта... действует, компрене ву! Даром что буржуазно-гороховые! Трехцветные свинки, значить, эти... го-мо-зиготы (тьфу!) aa; а черные, значить, AA».

Отвлечемся пока от белых пятен. Относительно черной и трехцветной окраски рассуждения профессора в целом верны. Выполняются все законы Менделя для моногибридного скрещивания.

Выполняются они для аллеля Е, который отвечает за равномерное распределение черной окраски. Он доминирует над аллелем e^р — «частичного распространения» черной окраски, при которой остаются рыжие пятна. Правда, есть сведения, что доминирование это неполное: у гетерозигот первого поколения могли присутствовать маленькие рыжие пятна (например, на ногах), на которые профессор и его сотрудники не обратили внимания.

Что касается белых пятен — за них отвечает другой ген, S. Его доминантный аллель S отвечает за отсутствие пятен, рецессивный — s — за наличие. Доминирование неполное, и у гетерозигот обычно есть небольшие пятна (на их размер и расположение могут влиять многие другие гены). При учете этих двух признаков и неполного доминирования в каждой паре аллелей, а также при большом числе потомков профессор обнаружил бы расщепление во втором поколении (1:2:1)², то есть 1:2:2:4: 1:2: 1:2:1 (см., например, Анализ наследования при неполном доминировании // © Зооинженерный факультет МСХА).

Вряд ли Выбегалло догадался бы, что и в этом случае законы Менделя выполняются, хотя и в модифицированном виде...

Теперь разберемся с кошками. За белые пятна у них отвечает тот же ген S с неполным доминированием. А вот наследование черно-рыжей (черепаховой) окраски совсем другое. Думаю, многие читатели «Элементов» слышали или читали, что трехцветные коты встречаются крайне редко. Это связано с тем, что отвечающих за рыжую окраску ген О (оrange) у кошек находится в Х-хромосоме. Сцепленный с полом ген у кошек (как и у женщин) может присутствовать и в гомозиготном состоянии (X^oX^o или Х^OХ^O), и в гетерозиготном (Х^OХ^o), а у котов (как и у мужчин) он имеется только в одном экземпляре (Х^OY или Х^oY; такое состояние гена называется гемизиготным).

Кошки с генотипом Х^OХ^o черепаховые, а если их генотип по гену S — Ss или ss, то тогда трехцветные. Кошки X^OX^O и коты X^OY рыжие. Кошки X^oX^o и коты X^oY серые или черные (это зависит от других генов; см. Послесловие). Ясно, что при таком типе наследования коты могут быть черепаховыми, только имея набор половых хромосом XXY. А коты с таким набором (как и мужчины) страдают синдромом Клайнфельтера и стерильны. Вот почему чистых линий трехцветных кошек достать не удалось...

Естественно, при скрещивании X^OY (рыжие коты) × X^OX^o (черепаховые кошки) половина котов получат от матери хромосому Х^o и поэтому будут черными.

Не выполняются в данном случае закон единообразия гибридов первого поколения и закон расщепления 3:1 (см. Послесловие). По-прежнему выполняется закон чистоты гамет (он нарушается только при нерасхождении хромосом — в редких случаях, когда, например, рождается кот XXY). Выполняется и закон независимого наследования для генов O и S (они находятся в разных парах хромосом).

Теория наследственности Менделя, даром что была создана чистой силой мысли, оказалась чрезвычайно широким обобщением и заложила базу современной генетики. А вот его законы имеют множество ограничений и выполняются далеко не во всех случаях. Пожалуй, самая частая причина их невыполнения — то, что изучаемый признак оказывается не моногенным. Большинство внешних признаков — в том числе окраска шерсти (см. ниже) — определяются не одним геном, а множеством взаимодействующих генов. К ним относятся и такие внешние признаки человека, как цвет глаз, цвет волос, приросшая или свободная мочка уха и т. п., которые в учебниках часто описываются как моногенные. Как отмечает Джон Макдональд, автор сайта Myths of Human Genetics, это может приводить к большим проблемам:

«Допустим, вы говорите ученикам, что положение рук при складывании их на груди крест-накрест определяется одним геном: за положение сверху правой руки отвечает доминантный аллель (R), а левой — рецессивный (r). Результаты многочисленных работ показывают, что на самом деле около 11 процентов ваших учеников окажутся носителями доминантного признака, у которых оба родителя имеют рецессивный признак. Тогда, если они правильно поняли ваш урок, они решат, что либо их тайно усыновили, либо мама обманывала папу, и он не является их биологическим отцом. Чем больше таких признаков вы рассмотрите — тем больший процент учеников придут к подобным выводам. Я не думаю, что это удачный вариант изучения генетики». (Перевод мой. — С.Г.).

Не выполняются некоторые законы Менделя (единообразия первого поколения и расщепления), как мы уже поняли, и для генов, сцепленных с полом. Ведь Мендель исходил из того, что оба родителя имеют по два аллеля, отвечающих за данный признак. А при сцепленности с полом у самцов млекопитающих аллель только один. Поэтому, например, в браках женщин-дальтоников X^dX^d и здоровых мужчин X^DY все дочери будут здоровыми, все сыновья — дальтониками (не выполняется закон единообразия); а во втором поколении (X^DX^d × X^dY) и среди мальчиков, и среди девочек половина будут дальтониками, половина — здоровыми (не выполняется закон расщепления 3:1). Но ситуация с окраской кошек сложнее. И гораздо интереснее, по-моему, разобраться с ней по существу, чем понять формальный механизм наследования.

Сначала надо разобраться, откуда вообще в волосах берется краска. Лучше всего это изучено на мышах. У мышей, как и у всех млекопитающих, краску производят особые клетки — меланоциты (рис. 2). Эти похожие на осьминогов клетки сидят в коже на границе дермы и эпидермиса. Они синтезируют два типа пигментов: черные или коричневые эумеланины и желтые или рыжие феомеланины. Пигменты эти образуются в особых пузырьках из мембраны — меланосомах. Потом пигменты попадают внутрь кератиноцитов — клеток волос и эпидермиса кожи. (Удивительно, но до сих пор точно не известно, как это происходит. Скорее всего, клетки кожи «откусывают» кусочки щупалец осьминогов-меланоцитов и переваривают их.)

Рис. 2. Схема строения меланоцита. Изображение с сайта www.dynamicscience.com.au

Начальная стадия синтеза меланинов — окисление тирозина ферментом тирозиназой. Ее ген обычно обозначают буквой C. Разные рецессивные мутации этого гена отвечают за «истинный» альбинизм (обычно у таких альбиносов розовые глаза) и сиамскую окраску кошек (а также морских свинок, у которых она называется обычно как-то по-другому).

При наличии гена B вырабатывается черный эумеланин; его рецессивные мутации приводят к появлению коричневой окраски.

Меланоциты образуются из клеток-предшественников — меланобластов. А меланобласты — разновидность клеток нервного гребня. Нервный гребень — участок зачатка нервной системы. Он закладывается вместе с нервной трубкой на спине зародыша. Потом его клетки расползаются по всему телу. В частности, меланобласты заползают в кожу, там размножаются и превращаются в меланоциты.

Рис. 3. Распределение пигмента в волосе. Изображение с сайта www.mun.ca

Если в шерстинку попадет только феомеланин — она будет рыжей. Если эумеланин — черной или темно коричневой. А если смесь — то будет серовато-желтая окраска серой кошки, мышки или волка. Называется такая окраска «агути». Пигменты обычно распределены по волосу полосками, например: черная — рыжая — черная (рис. 3); может быть и другое чередование.

Чтобы меланоцит синтезировал эумеланин, он должен иметь нормальный белок-рецептор MC1R, и на этот рецептор должен действовать нормальный меланокортин (меланоцитстимулирующий гормон) — сигнальный белок. Если нет гормона — окраска светлеет. Если не работает рецептор — волосы и шерсть становятся рыжими. (Именно мутации гена MC1R в большинстве случаев отвечают за рыжую окраску волос у человека.)

Но кроме гормона-стимулятора с рецептором может связываться белок-конкурент, занимающий место гормона. Этот белок — продукт гена agouti — выделяют клетки волосяного фолликула. В них он синтезируется не постоянно, а волнами — лишь на определенных стадиях роста волоса. В эти периоды на волосе и появляется желтая полоска.

Если ген agouti (a) не работает — окраска шерсти будет черной (это рецессивная мутация). А если работает слишком хорошо — в большинстве случаев это летальная мутация. Лишь некоторые «хорошо работающие» аллели agouti в гомозиготном состоянии вызывают у мышей желтую окраску шерсти, но не летальны. Однако такие мыши толстые, часто болеют диабетом и рано умирают.

Продукт гена S — рецептор эндотелина-B; его уровень экспрессии в 50% от нормы и выше необходим для выживания меланобластов. Полное отсутствие этого белка обычно приводит к недоразвитию нервной сети кишечника и к гибели. Но к появлению белых пятен могут приводить мутации еще примерно 20 разных генов.

У большинства млекопитающих, как и у человека, за рыжую окраску отвечают мутации гена MC1R. Обычно его обозначают буквой E. Его рецессивные аллели отвечают либо за полное порыжение (аллель e), либо за частичное (аллель e^p). У собак с генотипом e^pe^p обычно на рыжем фоне присутствует черная «маска» на морде; а у морских свинок — черные пятна по всему телу.

(Теперь мы можем определить, какой генотип по рассмотренным генам был у наших трехцветных морских свинок чистой линии. Пятна у них были черные, а не серые — значит, генотип был aa; черные, а не коричневые — ВВ; они не были ни альбиносами, ни «сиамскими» — СС; имели белые пятна — ss; имели рыжие пятна на части тела — e^pe^p. Всего же на окраску влияет более сотни генов.)

Но рыжая кошка отличается и от желтой мыши, и от рыжего человека или морской свинки. Она иначе рыжая. И это тоже очень удивительно! Вообще, у всех млекопитающих гены очень похожие. Если есть ген у мыши — почти наверняка такой ген найдется и у кошки, и у человека. И гены, отвечающие за окраску шерсти, тоже у всех в целом похожие. Альбинизм, меланизм (черная окраска), сиамская окраска, белые пятна и отметины, рыжая или дымчатая окраска — как правило, результат похожих мутаций одних и тех же (гомологичных) генов (рис. 4).

Рис. 4. Мутации гена kit у мыши и человека вызывают похожие изменения окраски. Фото с сайта www.ncbi.nlm.nih.gov

Особенно консервативны гены, расположенные в X-хромосоме. Но при этом из всех изученных млекопитающих только у кошек и у сирийских хомячков есть ген orange — сцепленный с полом ген, влияющий на цвет шерсти. И черепаховая (черно-рыжая) окраска у этих животных особенная.

Дело в том, что не только у самцов, но и у самок в каждой клетке работает только один аллель гена O (orange), как и других генов X-хромосомы. Связано это с замечательным явлением — инактивацией (выключением) X-хромосом у самок млекопитающих. Из двух X-хромосом, полученных от мамы и от папы, в каждой клетке работает только одна (рис. 5). Вторая выключается на ранней стадии развития зародыша — когда он состоит примерно из 50–100 клеток. В формировании тела самого зародыша из этих клеток примут участие только 10–20, остальные дадут зародышевые оболочки. У сумчатых в клетках зародыша всегда инактивируется отцовская X-хромосома. А вот у плацентарных каждая клетка «подбрасывает монетку» — случайным образом выключает либо отцовскую, либо материнскую X-хромосому. Значит, в среднем примерно в половине клеток зародыша будет работать одна хромосома, в другой половине — другая. В клетках хориона у плацентарных всегда отключается отцовская X-хромосома.

Рис. 5. Инактивация X-хромосомы у самок млекопитающих. Изображение с сайта www.synapses.co.uk

Может быть, кто-то из читателей уже догадался, почему кошки X^OX^o черепаховые. Один аллель этого гена — O — блокирует синтез эумеланина; другой — o — не блокирует. В каждой клетке зародыша работает либо один, либо другой аллель (вторая X-хромосома инактивирована). И все потомки этой клетки унаследуют это же состояние. Все меланоциты, которые произошли от клетки с активным аллелем O, будут «красить» шерсть в рыжий цвет, независимо от генотипа по гену agouti. Меланоциты с активным аллелем о будут «красить» кошачьи волосы в серый цвет, если в них есть работающий ген agouti; если его нет — эти пятна будут черными. А число и расположение, например, рыжих пятен зависят от того, куда доползли меланобласты с активной хромосомой X^O и насколько сильно они успели размножиться. Так что черепаховая кошка — настоящее «лоскутное одеяло», мозаика из разных кусочков. И в каждом рыжем или сером кусочке меланоциты — потомки одной клетки зародыша (или нескольких, если они выключили одну и ту же хромосому).

Хотя в 2010 году геном кошки был расшифрован, ген orange изучен слабо. Он только более или менее подробно закартирован. Его полная нуклеотидная последовательность пока, кажется, не известна. Не известна и функция его белкового продукта.

Может возникнуть и такой вопрос: а зачем вообще разбираться в этих тонкостях кошачьей и мышиной окраски? Пусть в них разбираются заводчики-кошатники и заводчики-мышатники, но не ученые «за счет налогоплательщика».

Гены с внешним проявлением легче изучать. Поэтому на их примере можно надеяться разобраться в общих механизмах регуляции работы генов. Как, например, получаются полоски на волоске или полоски на кошке? Это важная научная проблема! (См.: Идеи Алана Тьюринга помогли понять механизм развития пальцев у позвоночных, «Элементы», 18.12.2012.)

Кроме того, гены окраски влияют отнюдь не только на окраску. Например, один из возможных гомологов гена orange (если он все-таки есть у мышей) — ген Atp7a. У мутантных гетерозиготных мышей даже что-то вроде черепаховости бывает. Так вот, это сцепленный с полом ген белка-насоса, отвечающего за транспорт в клетки ионов меди. И его мутации вызывают у человека наследственную болезнь — синдром Менкеса (см. Menkes disease).

Белок agouti у человека на окраску волос не влияет (в коже он не образуется). Зато он образуется в мозге и сильно влияет на аппетит. Не удивительно, что его активно изучают — и у человека, и у мышей — как «модели человека».

В короткой заметке, конечно, трудно ответить на все вопросы. А их должно было возникнуть много. Зачем нужно выключать X-хромосому? И как это можно сделать — заставить несколько сотен генов замолчать, причем только на одной из двух хромосом? Почему коты (и мужчины) с генотипом XXY стерильны — ведь одна X-хромосома всё равно выключена? Как получается, что у мышей и людей в клетках зародыша, формирующих хорион (часть плаценты), инактивируется всегда отцовская X-хромосома? И зачем это нужно? Я хочу, чтобы читатели понимали: далеко не на все эти вопросы ответ известен. Вон белковые продукты кошачьих генов — и то не все известны!

Послесловие было частично опубликовано в журнале «Потенциал».