Исследователи глубоко погрузились в эмбриональное развитие, чтобы выявить источник полосатого рисунка у кошек.
Фольклор полон удивительных историй об узорах шерсти кошек: Как у тигра появились полосы. Откуда у леопарда появились пятна. И ученые задают те же вопросы, хотя и не обязательно о крупных хищниках. Вместо этого исследование может быть сосредоточено на полосатом окрасе домашних кошек.
Вопрос о том, как образуются полосы и пятна у кошек, затрагивает одну из самых глубоких теоретических загадок биологии. Как сгусток клеток превращается в плодовую мушку или панду? Что заставляет кости конечности стать рукой, лапой или ребрами кожистого крыла? Что говорит некоторым клеткам кожи отращивать темные волосы, а другим – светлее?
Группа генетиков сообщила журналу Nature Communications, что они определили ген у домашних кошек, который играет ключевую роль в создании традиционного полосатого рисунка, и что этот рисунок проявляется в эмбриональной ткани еще до того, как начинают расти волосяные фолликулы.
Наследование кошачьей шерсти хорошо известно. Но то, как закономерности появляются в растущем эмбрионе, на самом деле остается неразгаданной загадкой.
В исследовательскую группу входили доктор Барш, Кристофер Б. Келин и доктор Келли А. Макгоуэн, все они работали в Институте биотехнологии HudsonAlpha в Алабаме и Медицинской школе Стэнфордского университета.
«Это очень увлекательное исследование», — говорит Хопи Э. Хекстра, биолог-эволюционист из Гарвардского университета.
«Исследование продвигает наше понимание одного из самых фундаментальных вопросов в биологии развития: как формируются паттерны?» — говорит доктор Хукстра.
Доктор Барш сказал, что теоретическая основа работы группы восходит к новаторской статье Алана Тьюринга, известного своими работами в области компьютерных наук и взлома кода.
Однако гений Тьюринг не ограничивался компьютерами. В 1952 году он написал статью под названием «Химические основы морфогенеза», которая «действительно заложила основу для всей области математической биологии», — сказал доктор Барш.
В документе описывается так называемый процесс диффузионно-контролируемой реакции, когда два химических вещества, одно из которых стимулирует активность генов, а другое подавляет ее, могут привести к регулярному чередованию паттернов.
Исследователи, изучающие развитие рисунка шерсти, считают, что этот процесс может привести к появлению полос на кошачьей шерсти; и недавное исследование группы подтвердило эту гипотезу.
Кроме того, исследование впервые показывает, что ген Dkk4 и белок, который он продуцирует, играют центральную роль в этом процессе. Dkk4 является ингибитором этого процесса.
Исследование зависело от сотрудничества с программами, которые отлавливают диких кошек, стерилизуют их и выпускают, чтобы уменьшить перенаселение и улучшить здоровье диких кошек.
Многие кошки, стерилизованные в рамках этих программ, были беременны. Эмбрионы, находящиеся на слишком ранней стадии роста, чтобы быть жизнеспособными, обычно выбрасываются. Для этого исследования ученые собрали эмбриональную ткань и доставили ее в лабораторию.
Из более чем 200 пренатальных пометов доктор МакГоуэн искал закономерности в тканях на разных стадиях роста эмбрионов. Она обнаружила образец того, что она описала как толстые и тонкие участки ткани в верхнем слое эмбриональной кожи, о чем никогда раньше не сообщалось.
По ее словам, эти области «имитируют то, что происходит в картинах пигментации взрослых кошек». Те же самые узоры, которые появятся на шерсти взрослой кошки в виде полос или пятен, появляются у эмбриона, еще до того, как появляются какие-либо волосы или даже волосяные фолликулы.
Затем команда искала гены, которые могли быть активны в этот период раннего эмбрионального роста.
Когда доктор Келин посмотрел на ткань, которая показала узор толстой и тонкой ткани, который был предшественником полос, он сказал: «Единственной молекулой, которая выделялась среди остальных, была эта Dkk4». Полное название белка и гена — Dickkopf 4.
В толстой и тонкой тканях было разное количество Dkk4. По словам доктора Барша, белок Dkk4 ингибировал гены, которые производят другие сигнальные молекулы, известные как белки Wnt. Еще более показательно то, что когда произошла мутация в гене Dkk4, полосы стали тоньше, до такой степени, что появился узор под названием «Тикинг».
Авторы подчеркивают, что исследованные ими паттерны — это лишь «часть разнообразия паттернов, существующего среди пород домашних кошек».
В будущем одной из целей команды будет выяснить, как рисунок ткани преобразуется в цвет при росте волосяных фолликулов.
Доктор Хукстра говорит, что работа подчеркнула ценность домашних животных для науки. «Кошки — фантастические животные— их легче изучать, чем зебр или леопардов — за многие годы к них появилось ослепительное множество пятен, полос и других различных узоров».