Кошки, гены и эволюция - Павел Михайлович Бородин Страница 5

участки, в которых эволюция уже нашла почти идеальную комбинацию аминокислот и все, что возникает новое, хуже, чем устоявшееся старое. У большинства позвоночных (а не только у несиамских котов) в белке тирозиназы в позиции 301 стоит глицин. Скорее всего, глицин в этом положении позвоночные унаследовали от общего предка, жившего более 420 миллионов лет назад. Чтобы продержаться такое долгое время и не быть замененным какой-нибудь случайной мутацией на другую аминокислоту (как это произошло у сиамских котов), глицин в положении 301 должен играть важную роль в функциональности тирозиназы и поддерживаться естественным отбором.

Аминокислоты отличаются друг от друга по нескольким параметрам. Их классифицируют по наличию и отсутствию заряда, сродству к воде (гидрофобные и гидрофильные), размеру и по многим другим параметрам. Замена одной аминокислоты на другую, но близкую по физико-химическим свойствам не приводит к таким значимым фенотипическим проявлениям, как замена на совершенно отличную аминокислоту. Глицин не имеет заряда, а аргинин положительно заряжен. Сиамские коты являются наглядным доказательством того, к чему может привести изменение заряда аминокислоты.

Мутации происходят на уровне ДНК, а мы обсуждаем здесь эффекты на уровне белка. Если мы приглядимся к ДНК, то мы заметим, что абсолютное большинство мутаций на самом деле обязаны быть нейтральными. Почти все замены в межгенных областях генома и в интронах – нейтральны по определению, поскольку эти последовательности не участвуют в синтезе белков.

Почему почти? Потому что мутации в регуляторных районах генома (о них мы поговорим чуть позже) и на границах интронов, где располагаются точки разрезания и сшивки мРНК, могут вызвать гораздо более серьезные изменения в работе генов, чем замены в экзонах.

К нейтральным, безусловно, относятся так называемые синонимические мутации – одиночные замены нуклеотидов, которые не меняют смысл кодонов. Например, у кодона для лейцина УУА есть еще пять синонимов: УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. В этих пределах они могут мутировать как угодно. Последовательности ДНК и РНК меняются, а последовательность аминокислот в белке остается неизменной.

Сиамская мутация привела к изменению смысла кодона. Такие мутации называются несинонимическими. Они происходят чаще синонимических, потому что возникают в результате большинства замен в первой и второй позициях кодонов. Синонимические же, как правило, затрагивают третью позицию.

Аллели, гомозиготы, гетерозиготы и другие страшные слова

Кошки, как и почти все многоклеточные существа, размножаются половым путем. Все хромосомы и все гены у них содержатся в двойном наборе: один от мамы и один от папы[11]. Сиамским котам от обоих родителей достались одинаковые мутантные варианты (аллели) гена тирозиназы (рис. 1–2). Организмы, у которых оба аллеля какого-либо гена одинаковые, называют гомозиготными (или, проще, гомозиготами), а те, у кого аллели разные, – гетерозиготными (гетерозиготами).

Поскольку генетики узнали, что этот ген контролирует наличие/отсутствие окраски, раньше, чем определили кодируемый им фермент, его по традиции назвали Color (“цвет” по-английски). Сиамский аллель обозначают cs (s – от англ. siamese), а нормальный аллель – символом С.

Чтобы кот получил сиамский окрас, он должен быть гомозиготой cs/cs. Кошки-гетерозиготы С/cs, которые унаследовали один нормальный (С) аллель и один мутантный (c s), имеют какой угодно, но не сиамский окрас. Явление, когда один аллель гена не дает проявиться другому аллелю, называется доминированием. Аллель С доминирует над аллелем cs, который является рецессивным. Для проявления рецессивного аллеля в фенотипе необходимо, чтобы в геноме не было доминантного аллеля, как у сиамских котов – гомозигот cs/cs.

В данном случае молекулярная природа доминантности/рецессивности проста и очевидна. В каждой пигментной клетке гетерозиготного кота работают оба аллеля. Оба синтезируют примерно одинаковое число молекул мРНК, которые отличаются друг от друга только заменой одного нуклеотида. Оба варианта мРНК попадают на рибосомы и транслируются в примерно одинаковое число молекул тирозиназы, которые отличаются друг от друга только заменой одной аминокислоты. Мутантные молекулы тирозиназы работают только при сниженной температуре, но это никак не сказывается на окраске, потому что одновременно в клетке есть нормальные молекулы тирозиназы, которые работают нормально при любой температуре и их достаточно, чтобы обеспечить волос нормальным количеством меланина. Сиамская окраска возникает, когда в пигментных клетках вообще нет нормальных молекул тирозиназы, а все, что есть, дефектные.

Рис. 1–2. Наследование сиамской окраски у кошек и тонкости терминологии.

Бурманские, тонкинские и вовсе альбиносы

В гене С обнаружено еще несколько мутаций. Одна из них – рецессивная мутация cb – приводит к появлению новой окраски – бурманской (англ. Burmese)[12]. Бурманские коты полностью окрашены, но в теплых частях тела они окрашены чуть бледнее, чем в холодных (вкл., илл. 2).

Мутация cb – это замена нуклеотида в первом экзоне гена тирозиназы в 227-м положении, что приводит к замене маленькой неполярной аминокислоты глицина на большую, но тоже неполярную аминокислоту триптофан. Эта замена тоже меняет температурный оптимум тирозиназы, но не так сильно, как cs.

Любопытная окраска наблюдается у гетерозиготных котов cb/cs. Ее называют тонкинской. Выглядит она как нечто среднее между сиамской и бурманской. Такое взаимодействие аллелей генетики называют промежуточным, или неполным, доминированием. При нормальной температуре тела белок cs совсем не работает, а cb работает, но одной дозы белка не хватает, чтобы вытянуть бурманскую окраску.

И сиамская, и бурманская тирозиназы худо-бедно, но работают. А вот у котов-альбиносов тирозиназа не работает вовсе.

Известны две мутации, которые приводят к полному альбинизму. Одна из них (с) обусловлена тем, что во втором экзоне в 975-й позиции гена тирозиназы пропал цитозин. Казалось бы, утрата одного нуклеотида из нескольких тысяч не должна вести к тяжелым последствиям. Ан нет. Утрата (делеция) пар нуклеотидов в числе, не кратном трем, вызывает сдвиг рамки трансляции. У неальбиносов последовательность РНК вокруг места делеции такая: …ЦЦЦ УЦЦ УУА АУЦ… Она транслируется в такую последовательность аминокислот: …Пролин – Серин – Лейцин – Изолейцин… У альбиносов же последовательность РНК без одного Ц стала такой: …ЦЦУ ЦЦУ УAA УЦ… Когда такая последовательность транслируется на рибосоме, то все идет нормально до мутантного кодона, но после него рибосома сначала вставляет неправильную аминокислоту – пролин вместо серина, а потом вообще прекращает трансляцию, потому что натыкается на стоп-кодон УАА (стоп-кодоны отмечают конец синтеза белка и в норме располагаются в последнем экзоне гена). В результате получается короткий нефункциональный мутантный белок тирозиназы.

Делецию цитозина в 975-й позиции открыли, анализируя одно американское кошачье семейство, в котором часто рождались котята-альбиносы. Когда же спустя 10 лет другие исследователи взяли кота-альбиноса в одном из французских приютов, то оказалось, что у него совсем другая рецессивная мутация, c2. В 1204-й позиции гена тирозиназы цитозин был заменен на тимин, что привело к