© Викторовская О.В., 2020
ред. 23 ноября 2021, О.В.
В самые последние дни уходящего 2020 года генетики из Университета Берна и из Стенфорда поделились с нами одним из самых значительных открытий в области окрасов собак за последние несколько лет. Это исследование, дополняющее и отчасти меняющее наше сегодняшнее представление об аллелях агути, опубликовано на BioRxv в виде препринта “Окрасы собак объяснены модульными промоторами с происхождением от древних псовых”. [Статья опубликована в Nature Ecology & Evolution, в августе 2021 - ред. О.В.]
Что мы знали? Окрасы серии агути.
Напомню Вам в двух словах о текущем представлении о различных аллелях гена агути у собак и о его работе. Ген агути регулирует распределение темного и светлого пигментов, эумеланина и феомеланина, по волосу и по телу. Шесть разных вариаций окрасов, или фенотипов, серии агути представлены на первой иллюстрации. На данный момент считалось, что разнообразие этих окрасов можно описать работой четырех аллелей, перечисленных ниже в порядке доминирования:
Ау – доминантный рыжий (не путать с рецессивным рыжим, за который отвечает аллель “e” локуса E) приводит к рыжему окрасу двух разновидностей: рыжему и затемненному рыжему. Четкую границу между этими вариантами не всегда удается прочертить; и до сих дней считалось, что обе разновидности вызваны одной и той же мутацией.
aw – зонарно-серый, “волчий” агути, считается исходным, предковым окрасом у собак. Поэтому не было известно мутаций, специфичных для этого аллеля; и по ДНК-тестам аллель “aw” определяли методом исключения: если не обнаружено мутаций “Ay”, “at” или “a” (к этому мы еще вернемся в самом конце статьи).
at – подпалый окрас тоже бывает двух модификаций: собственно подпалый с темной спиной и более светлый чепрачный окрас. У ряда пород, для собак с генотипами at/at или at/a наличие дополнительной мутации в гене RALY (обозначается “dup/dup”) позволяет отличать подпалый окрас от чепрачного.
а – рецессивный “черный” (рецессивный эумеланиновый) вызван мутацией, которая приводит к полной потере функции гена агути.
Окрасы описаны. Mутации, казалось бы, найдены. Вроде бы, все ясно. Однако повсеместное введение генетических тестов постепенно выявило редкие случаи, когда результаты ДНК-тестирования не совпадали с наблюдаемым окрасом, а значит оставались пробелы в нашем понимании вариантов агути.
Как работает ген агути?
Основная функция гена агути – это блокировка производства темного пигмента, эумеланина, или попросту: агути работает — появляется желтый пигмент. Первый важнейший принцип работы агути – это цикличность. Когда ген агути активен — в волосе появляются желтые зоны, когда “выключен” – эумеланиновые (например, черные). Такое чередование колец по волосу характерно в разной степени выраженности для всех окрасов агути, но особенно ярко проявляется у зонарно-серых окрасов. Второй ключевой принцип работы агути — это распределение рыжего пигмента по корпусу. К примеру, у мыши активность агути регулируется по дорзо-вентральной (спинно-брюшной) оси тела, приводя к большему количеству рыжины на брюшной поверхности и цикличной активности — на спине. Как именно регулируется работа гена агути у собаки оставалось загадкой.
Суть открытия.
Авторы исследовали работу гена агути у собак и выявили основные принципы регуляции. Это позволило обнаружить новую серию мутаций, часть которых более точно предсказывает разнообразие окрасов агути, чем ранее описанные варианты. Новые мутации даже объясняют генетические различия между двумя очень сходными проявлениями доминантного рыжего – рыжим (обозначим Ay, agouti yellow) и затемненным рыжим (введем новое обозначение – Ays, agouti yellow shaded). Hаши представления о природе рецессивного черного окраса (аллель “а”) пока не меняются, а вот взгляд на остальные аллели дополнился.
Подробнее о новых мутациях.
Итак, согласно новому исследованию, у собак есть два очень важных участка ДНК в гене агути, работой которых можно объяснить окрасы. Эти участки называются промоторы и они регулируют работу гена агути.
Первый участок — обозначается HCP (промотор цикла волос, Hair Cycle Promotor) — отвечает за цикличность работы агути в волосе, которая преимущественно наблюдается в верхней части тела. Второй – обозначается VP (вентральный промотор, Ventral Promotor) отвечает за активацию агути в нижней части тела. Исследователи нашли мутации, дающие пять вариантов HCP и два варианта VP. Различные комбинации этих мутаций, которые в генетике называются гаплотипы, могут в точности описать пять окрасов агути: доминантный рыжий (Ay), затемненный рыжий (Ays), зонарно-серый (aw), чепрачный (предлагаемое обозначение – asa, agouti saddle) и подпалый (at). Формирование окрасов агути, объясняемое работой участков VP и HCP, продемонстрировано на второй иллюстрации.
Что это за промоторы такие?
Промоторы – это участки, контролирующие работу гена. Чем сильнее промоторы – тем больше количество белка агути, то есть тем больше количество рыжего в окрасе.
Для начала, давайте сравним варианты промотора VP, который влияет на распределение агути по телу. VP1 сильнее VP2, поэтому у собак с вариантом VP1 больше рыжего по корпусу. Это происходит за счет уменьшения условной “зоны цикличности” по телу собаки (схематично показанной штриховкой на иллюстрации) и увеличением условной “зоны активного агути” (отсутствие штриховки) у собак с VP1 по сравнению с VP2.
У промотора HCP, который влияет на размер рыжих колец в волосе в “зонах цикличности”, целых пять различных вариантов. Самый сильный – это HCP1 (практически рыжий волос), за ним – HCP2 (чередование зон). А все три оставшихся варианта — HCP3, 4 и 5 – дефектные, и приводят к минимальной цикличности на спине (черный волос).
Промоторы VP и HCP работают независимо, взаимодополняя эффект друг друга. Комбинация VP и HCP дает разные вариации окрасов. К примеру, самый сильный HCP1 в сочетании с сильным VP1 (VP1-HCP1) приводит к рыжему окрасу, а в сочетании с более слабым VP2 (VP2-HCP1) позволяет частично проявиться зачернению на рыжем фоне. Комбинация VP2-HCP2 дает зонарные окрасы. Сочетание сильного VP1 с нефункциональным HCP4 (VP1-HCP4) приводит к чепрачному окрасу, когда “зоны цикличности” практически полностью состоят из прокрашенных эумеланином волос, хотя, конечно, минимальная зонарность, особенно в промежуточных участках тела, все равно наблюдается. Сходная ситуация складывается и при подпалых окрасах, которые в основном состоят из собак с комбинацией VP2-HCP3, и реже – с комбинациями VP2-HCP4 или VP2-HCP5. В этих случаях агути активен в нижней часть тела, и практически не работает на спине и корпусе.
Эти гаплотипы VP-HCP, всегда наследуются вместе и вместе передаются из поколения в поколение. Например, при вязке собаки c генотипом VP1-HCP1/VP2-HCP5 (рыжая, носитель подпала) с подпалой собакой (генотип VP2-HCP3/VP2-HCP3) в потомстве получают рыжих щенков — носителей подпала (VP1-HCP1/VP2-HCP3), и подпалых щенков (VP2-HCP5/VP2-HCP3) в соотношении 1:1. Такое расщепление соответствует наследованию по Менделю.
Как эта новая информация сочетается с существующими ДНК-тестами?
При обнаружении мутаций самая большая сложность – это понять, является ли обнаруженная мутация причиной исследуемого признака, или же просто находится рядом (сцеплена) с той, которая действительно приводит к фенотипу. Если мутации в ДНК совсем рядом с мутацией-причиной, то есть при очень тесном сцеплении, они могут быть у 100% собак с исследуемым признаком, но при этом все равно будут просто “cоседями”, а не “причинами”. Видимо, именная такая ситуация и сложилась с частью ранее обнаруженных мутаций в гене агути, на которые сейчас делают тесты.
В новой статье авторы проанализировали 352 собаки 34 пород и обнаружили что гаплотипы VP-HCP лучше соотносятся с окрасами собак, чем некоторые из существующих тестов. Например, самой низкой предсказательной способностью, по версии этого исследования, обладает тест на RALY, призванный отличать чепрачный окрас от подпалого. Локус RALY находится по соседству с локусом агути, и ранее генотип RALY dup/dup связан с подпалым окрасом у части пород (корги, бассеты), но не у всех. Из 89 подпалых собак, всего 56 показывали результат dup/dup по тесту на RALY (а не все 89), зато у всех 89 был гаплотип VP2-HCP3,4,5 в гомозиготе. Кроме того, даже в очень надежных тестах на аллели “Ay” и “at”, авторы находят очень редкие, но все-таки несостыковки между генотипом и фенотипом. Одним из примеров такого несоответствия являются некоторые черно-подпалые бордер колли, у которых ДНК-тест показывает генотип aw/at, породив предположение о существовании гипотетического “нетестируемого аллеля at” у собак этой породы. Однако, новый способ определения по гаплотипам VP-HCP дает 100% совпадения ДНК-результата с окрасом у всех исследованных собак, и даже может различить между двумя версиями доминантного рыжего Ay – рыжим и зачерненным. Все вместе это означает, что мутация в RALY, и даже, по-видимому, мутации, которые раньше считали причинами “Ay” и “at” как раз являются примерами “тесного соседства”, а не причинно-следственной связи. Тем не менее, существующие тесты на аллели агути надежны и за самым редким исключением, прекрасно описывают ожидаемые окрасы.
Итого, наш набор взглядов на аллели “Ay”, “aw”, “at”, возможно, придется подкорректировать. И с появлением новых ДНК-тестов, возможно, в комбинации со старыми, определять окрасы агути можно будет еще точнее. Можно будет различать все шесть разновидностей окрасов агути, и определять их наследование, а также более надежно тестировать на аллель “aw”, уже не методом исключения, а определением гаплотипа VP-HCP.
Интересный факт напоследок
Как уже упоминалось, зонарно-серый считался предковым окрасом для собак. Однако новое исследование преподнесло сюрприз и в этой области. Исследователи не только обнаружили новые мутации в участках VP и HCP, но и проанализировали их эволюцию у псовых. Оказывается, по результатам этого исследования, у собак было ДВА предковых окраса, а не один (серый). Ученые обнаружили, что предки современных собак и современных волков, так называемые “плейстоценовые волки”, уже обладали двумя окрасами: были серые волки (VP2-HCP2) и белые волки (VP1-HCP1). И разнообразие окрасов агути у современных собак – это результат генетической рекомбинации этих двух гаплотипов и последующих мутаций, в том числе и появления вариантов HCP3,4,5. Кстати, ученые провели анализ ДНК одной из самых древних собак c Жоховской стоянки в Сибири, датированной 9,5 тысячами лет назад. Они обнаружили, что у этой собаки, которая считается предшественником всех ездовых пород, был гаплотип VP2-HCP4, то есть она была чепрачной. Уже тогда, тысячелетия назад, человек отбирал подобные окрасы, видимо, позволявшие лучше видеть черную спину собаки в заснеженной дали и отличать ее от хищных волков.
ОКНО в генетику собак 