За прошедшие сорок лет представления о генетике кошек шагнули далеко вперед.
40 лет назад генетика кошки сводилась в основном к описанию красочных фенотипов и их наследования. Биологи знали, что геном кошки содержит ДНК, но на этом их представления о ее молекулярной генетике и заканчивались. Было ясно, что кошка приходится родственником льву и тигру, но детали этого родства терялись в тумане времени.
30 лет назад генетики уже знали, как выглядят под микроскопом кошачьи хромосомы, поняли, как были построены первые генетические карты этого зверя, и убедились в их поразительном сходстве с картами хромосом человека.
20 лет назад кошачья генетика переживала бум. Был секвенирован и частично аннотирован кошачий геном, получены первые клонированные и трансгенные кошки. Использование методов сравнительной геномики позволило реконструировать основные этапы эволюции млекопитающих вообще и кошачьих в частности. Выяснилось, что последний общий предок кошки, лошади и летучей мыши жил на свете относительно недавно (около 79 млн лет назад).
Сегодня мы знаем геном кошек, умеем их клонировать, создавать трансгенных животных. Наконец, у нас имеется хороший инструмент для редактирования генов: технология CRISPR/Cas9 и ее модификации позволяют вносить изменения в нужные участки генома. И даже можем создавать дизайнерских котов.
Сколько жизней у кошки?
Как известно, первым клонированным животным стала овца: знаменитая Долли родилась в 1996 г. Через пять лет на свет появилась первая клонированная кошка, метко названная CC (Carbon Copy) или, по-русски, Копиркой.
Оригиналом для копирования выбрали черепаховую (серо-рыжую) кошку с белым пятном по имени Радуга. Из ее яичника были выделены яйцеклетки и обычные соматические клетки. Из каждой яйцеклетки удалили ядро и заместили его ядром, выделенным из соматической клетки. После стимуляции электрошоком реконструированные яйцеклетки трансплантировали в матку серой полосатой кошки. От этой суррогатной матери и родилась Копирка (Shin et al., 2002).
По генотипу Копирка была точной копией Радуги, но вот по внешнему виду она отличалась от оригинала: у нее не было рыжих пятен.
Судя по всему, в соматической клетке, из которой взято ядро для создания Копирки, была инактивирована одна из двух половых Х-хромосом – та, которая как раз и несла аллель рыжей окраски. А, как известно, состояние Х-хромосомы стойко передается в поколениях соматических клеток.
В случае с Копиркой поразительно то, что перенос ядра соматической клетки в яйцеклетку не привел к реактивации Х-хромосомы. Следовательно, процедура клонирования не приводит к полному репрограммированию ядра.
Науке известно, какие мутации «в ответе» за окрас, структуру и длину шерсти, за форму ушей и хвостов.
В последнее десятилетие интерес сместился на более близкую историю кошек: историю их одомашнивания и взаимодействия с человеком.
Одомашнивание кошки: где, когда и как
Генетические исследования показали, что все домашние кошки являются потомками одного единственного вида – дикая кошка Felis silvestris (Driscoll et al., 2009). Этот вид широко распространен на территории Старого Света: от Шотландии до Южной Африки и от Испании до Монголии и имеет несколько подвидов.
При этом на уровне ДНК все домашние кошки практически неотличимы от степного кота F. s. lybica – подвида, обитающего преимущественно на Ближнем Востоке. Ископаемые останки, принадлежащие степному коту, были найдены в основном в Южной Азии и Южной Европе. Предполагается, что в течение многих тысячелетий, от неолита до настоящего времени, эти кошки обитали в основном в Малой Азии (части территории современной Турции).
Самые ранние археологические свидетельства сосуществования человека и кошки были найдены на Кипре и датируются 7–8 тыс. до н. э. Так как ни на одном из средиземноморских островов, помимо Сицилии, никогда не было аборигенных популяций кошек, то на Кипр кошки могли попасть только вместе с переселенцами с Ближнего Востока. По-видимому, кошки были одомашнены в так называемом Плодородном полумесяце около 10 тыс. лет назад – именно в то время на этой легендарной ближневосточной территории, которую часто называют колыбелью цивилизации, люди основали свои первые поселения.
Так человек создал совершенно новую среду обитания для диких животных. Мусорные кучи вокруг селений обеспечивали грызунам бесплатный стол и дом. А за мышами пришли кошки – но не все. На первых порах действовал строгий отбор толерантных по отношению к человеку животных, которые могли сосуществовать рядом с ним. Почему F. s. lybica стал единственным подвидом дикой кошки, который был доместицирован? Потому что он оказался в нужном месте и в нужное время. По мере того, как сельское хозяйство распространялось за пределами Плодородного полумесяца, F. s. lybica распространялся вместе с ним, не позволяя местным популяциям диких кошек присоединяться к их кормовым угодьям – мусорным кучам.
Кошки завоевывают Землю
Анализ последовательностей ДНК митохондрий (клеточных органелл-«электростанций) из палеонтологических остатков и у современных кошек позволил реконструировать историю их расселения по свету. Для современных кошек характерно пять митотипов – основных вариантов митохондриальной ДНК (мДНК) – A, B, C, D и E, отличающихся друг от друга по нескольким мутациям (Ottoni et al., 2017).
Почти все (12 из 14) ископаемые остатки дикой кошки, относящиеся к периоду с 8000 до 800 лет до н. э., имеют митотип А. Позже кошки с данным митотипом заселили почти весь Старый Свет. В наше время он является самым распространенным среди домашних кошек.
Большинство обнаруженных мумифицированных останков египетских кошек, живших 7,5—2 тыс. лет назад, имеют митотип С. Кошки играли большую роль в жизни и религии древних египтян. Множество изображений и мумий этих кошек, дошедших до наших дней, и породило идею, что кошки были впервые одомашнены в Египте. Археологические и палеогенетические данные не исключают, что кошка была независимо одомашнена в двух местах. Но более правдоподобной выглядит гипотеза, что центром доместикации был все-таки Плодородный полумесяц, а Египет стал центром котоводства.
Несмотря на запрет на кошачий экспорт, введенный в Египте еще в 1700 г. до н. э., египетские кошки распространились по большей части Старого Света. Они были особенно популярны в Малой Азии: в первом тысячелетии нашей эры частота встречаемости митотипа С на этой территории была в два раза выше, чем митотипа А.
Судя по археологическим и генетическим данным, расселению кошек, вероятно, способствовало распространение домовой мыши и черной крысы по морским путям, начиная уже с железного века. На севере Альп домашние кошки появились вскоре после римских завоеваний. В Средние века было обязательно иметь кошек на корабле, что способствовало их распространению по путям военных действий и торговли. Этим можно объяснить обнаружение кошачьих останков, датированных VII—XI вв., с египетским митотипом С в портовом городе викингов Ральсвике (территория современной Германии).
Кошкам нашли и другие применения, помимо основных – борьбы с грызунами и умиротворения хозяев. В Средние века это животное стало непременным ассистентом ведьм, а кошачьи шкурки использовались при пошиве одежды.
Захватывая новые территории, домашние кошки скрещивались с местными дикими, что способствовало появлению новых митотипов – D и Е. Современные генетические данные говорят об интенсивной гибридизации одичавших домашних кошек с популяциями диких европейских кошек, что ставит последних под угрозу исчезновения.
Согласно археологическим данным, в Сибирь домашние кошки проникли с русскими переселенцами. Поэтому все легенды о древних сибирских котах не имеют под собой научных оснований.
Реконструировать пути миграции кошек позволил анализ географического распределения мраморного окраса среди бродячих кошек. Его встречаемость выше в Великобритании и Иране и убывает по мере удаления от этих стран. Поскольку Британия долго правила морями, мраморных кошек до сих пор много в портовых городах вообще и в ее колониях в особенности.
Анализ древней, теперь уже ядерной, ДНК у ископаемых протодомашних кошек позволил впрямую проверить эти реконструкции. Он подтвердил, что мраморный окрас возник довольно поздно. Самая древняя мутантная последовательность гена Tabby обнаружена у ископаемых кошек из Южной Азии времен Османской империи (XIV—XV вв.). Позже частота ее встречаемости увеличилась, и она распространилась по Европе и Африке. В XVIII в. мраморный окрас стал достаточно распространенным, а уже в следующем столетии он начал использоваться для создания пород.
Геногеография в эпоху машинного обучения
В прошлом веке самой процветающей отраслью генетики кошек была «геногеография», по числу научных публикаций опережавшая все остальные отрасли, вместе взятые. Энтузиасты ездили по миру, считали кошек разных окрасов, составляли карты, вычисляли индексы сходства и строили красивые модели. В новом веке этот вид занятий сошел на нет. В большинстве крупных городов подсчитали по сотне кошек, основные пенки сняли, осталось добирать мелочи. Значит ли это, что геногеография умерла? Вовсе нет. Мы видим две столбовые дороги, по которым она может пойти.
С удешевлением современных методов генотипирования начинают развиваться и финансироваться проекты молекулярной геногеографии. Сравнение в разных точках мира генетического разнообразия бродячих кошек, с одной стороны, и местного и пришлого человеческого населения – с другой, позволит лучше понять эволюцию взаимоотношений двух уникальных видов. Как пророчески мог бы написать Дарвин, «свет будет пролит на переселения человека и кошки и их общую историю».
Второй путь подразумевает использование соцсетей и гражданской науки для решения геногеографических проблем. Что люди постят больше всего на свете? Верно, фото котиков. Все соцсети просто завалены котиками. Как утилизировать это богатство? Правильно, создать API, который станет сетью для вылавливания этих котиков из Сети. И такой интерфейс уже создан и занимается созданием всемирной карты фотографий кошек, доступной по адресу https://iknowwhereyourcatlives.com/. Там вы можете увидеть адреса и фото всех кошек, которые засветились в сетях с геотегами.
Следующий шаг, который предстоит сделать, создать нейросеть для определения фенотипа запощенных котов. Это не такая простая задача, как кажется. Да, ГуглФото может различать лица людей в фас и в профиль, и даже в широких возрастных пределах. Он прекрасно отличает кошек от людей. Наверное, можно научить его узнавать и кошачьи морды: это Васька, а это Жан-Жак. Но вот с окрасами и текстурами шерсти пока плохо. Знакомые программисты не берутся научить сеть надежно отличать голубого кота от рыжего. Или мы знакомы не с теми программистами? Но мы абсолютно уверены, что со временем эта задача будет решена, и мы получим геногеографические карты нового поколения.
Дарвин, завершая свое «Происхождение видов», писал: «Мы смутно предвидим глубокий переворот в области естественной истории».
Впереди - гигантский прогресс во всех областях генетики, который обязательно затронет и генетику кошки.
Будут созданы новые чудесные породы кошек. Появятся новые методы генетического и геномного редактирования. Будет раскрыта, наконец, тайна мраморной окраски. Мы поймем, как и насколько гены контролируют развитие, как они взаимодействуют друг с другом, обеспечивая развитие наших котов, таких разных, прекрасных и удивительных.
Люди научатся реконструировать геномы, а по ним и облик, и даже особенности поведения вымерших животных. Мы узнаем, мурлыкал ли саблезубый тигр и как он относился к валерьянке.