Выявлен ген, отвечающий за рыжую окраску у кошек

Рыжая окраска кошек связана с подавлением синтеза черно-коричневого пигмента эумеланина и активацией синтеза оранжевого пигмента феомеланина. Долгое время было известно, что локус O, отвечающий за рыжую окраску, находится на X-хромосоме. Именно поэтому черепаховые и трехцветные кошки обычно женского пола — случайная инактивация той или иной X-хромосомы у кошек, гетерозиготных по локусу O, приводит к экспрессии рыжего аллеля или аллеля дикого типа в разных частях кожного покрова. Но какой точно ген отвечает за рыжую окраску, до сих пор оставалось неизвестным — существующие работы смогли сузить возможное его положение до участка в 1,5 млн п.н., содержащего 12 генов. В новой работе ученые из Японии показали, что рыжая окраска связана с делецией размером в 5,1 т.п.н. в некодирующей области гена ARHGAP36.

Исследователи секвенировали геномы 18 домашних кошек, включая восемь трехцветных (калико), одну черепаховую, одну с рыжими и белыми участками и восемь без рыжего цвета в окрасе. Выравнивание проводилось на референсный геном AnAms1.0, полученный от серебристо-полосатой кошки. Также исследователи использовали ранее опубликованные геномы девяти кошек из проекта 99 Lives Cat Genome Sequencing Initiative.

Ученые идентифицировали 450 однонуклеотидных полиморфизмов, специфичных для кошек с рыжим цветом в окрасе, однако ни один из них не был миссенс- или нонсенс-мутацией или связан со сдвигом рамки считывания. Дальнейший анализ идентифицированного ранее региона в 1,5 млн п.н. выявил делецию размером 5,1 т.п.н., располагающуюся в первом интроне гена ARHGAP36 (кодирующего активирующую Rho ГТФазу) и специфичную для кошек с рыжим окрасом. Более того, трехцветные и черепаховые кошки были гетерозиготными по этой делеции, что соотносится с существующими представлениями о работе локуса O. Дополнительный анализ 40 образцов при помощи ПЦР подтвердил, что делеция присутствует у всех кошек с рыжей окраской и только у них (общий размер выборки составил 58 кошек — 24 с рыжим окрасом и 34 без).

Секвенирование по Сенгеру подтвердило точный размер делеции (5076 нуклеотидов), а также позволило идентифицировать внутри нее участок в 436 п.н., обладающий характеристиками ультраконсервативного элемента. По данным энциклопедии ДНК-элементов человека, этот участок содержит сегменты узнавания для ряда регуляторных белков — как энхансеров, так и репрессоров транскрипции. Таким образом, потеря его в результате делеции могла повлиять на экспрессию находящихся вблизи генов.

Секвенирование РНК подтвердило предположение ученых — ARHGAP36 активно и стабильно экспрессировался в участках кожи с рыжим окрасом, в то время как экспрессия в других участках сильно варьировала вплоть до полного отсутствия. ARHGAP36 активирует сигнальный путь Hedgehog (HH) и подавляет сигнальный путь протеинкиназы A (PKA). Интересно, что сигнальные пути HH и PKA опосредуют развитие волосяного фолликула и меланогенез соответственно, а нарушение регуляции человеческого ARHGAP36 вовлечено в Х-сцепленный синдром, характеризующийся фолликулярной атрофодермией, врожденным гипотрихозом и множественными базальноклеточными невусами и карциномами.

Авторы также идентифицировали 341 ген, экспрессия которых показывала положительную корреляцию с экспрессией ARHGAP36 и 517 с отрицательной корреляцией. Примечательно, что среди генов с отрицательной корреляцией было большое число генов, задействованных в сигнальных путях, связанных с синтезом меланина, в том числе TYRP1 и DCT, участвующие в синтезе эумеланина, но не феомеланина. Следовательно, снижение уровней их экспрессии может ослабить синтез эумеланина и вызвать сдвиг в сторону синтеза феомеланина.

Наконец, авторы подтвердили, что выявленная делеция подвержена случайному ингибированию X-хромосомы через метилирование ДНК, что соотносится с существующими представлениями о механизме формирования окраса у трехцветных и черепаховых кошек.

Одновременно в том же журнале вышла вторая статья исследователей из США, которые также обнаружили делецию в гене ARHGAP36 и подтвердили ее роль в регуляции рыжей окраски шерсти.

Таким образом, ARHGAP36 — наиболее вероятный кандидат на роль регулятора рыжего окраса у кошек. Похоже, что этот ген может работать во всех клетках, происходящих из нервного гребня эмбриона (нейроны, нейроэндокринные железы, меланоциты). В коже ARHGAP36 обычно выключен, но у рыжих кошек происходит делеция тормозного участка, отвечающего за выключение гена. Точные механизмы перестройки синтеза меланина в результате делеции в ARHGAP36, а также происхождение делеции предстоит выяснить в будущих исследованиях. 

Многие владельцы рыжих котов и кошек считают, что их питомцы более активны и авантюрны, чем коты других окрасок. Авторы одной из статей измерили экспрессию ARHGAP36 в почках, сердце, мозге и надпочечниках, но не обнаружили никаких различий между рыжими и нерыжими кошками.

«Нельзя исключить возможность того, что в некоторых тканях, которые мы не тестировали, есть изменения экспрессии гена, влияющие на поведение», — говорит Кристофер Кейлин, старший научный сотрудник в области генетики и ведущий автор одной из статей. Но он считает, что репутация рыжих кошек возникла из-за того, что большинство из них — самцы. «Научных исследований личности рыжих кошек не так много», — добавил он. 

 Credit: Hiroyuki Sasaki/Kyushu University | Пресс-релиз

Окраску кошки определяет ингибитор сигнального пути Wnt