Генетический фактор, который играет большую роль в определении размеров тела собак, возник примерно за тысячи лет до одомашнивания.
От волков до крошечных собак
Глядя на фыркающего французского бульдога или скачущего померанского шпица, может быть трудно понять, как эти собачки размером с кошку могли произойти от волков, которые сегодня обычно превышают 100 фунтов и могут охотиться на бизонов. В чем загадка крошечных собак?
Учитывая огромную разницу в размерах между волками и самыми маленькими собаками, легко предположить, что генетические изменения, которые привели к крайней малости чихуахуа и им подобных, появились только тогда, когда люди начали приручать собак, около 15 000 лет назад.
Теперь исследование, опубликованное в журнале Current Biology, предполагает, что генетический корм для современных крошечных пород собак на самом деле скрывался в ДНК древних волков, которые жили более 50 000 лет назад, задолго до начала одомашнивания.
Ген отвечающий за размер собак
Еще в 2007 году Элейн Острандер, генетик из Национального исследовательского института генома человека и старший автор текущей статьи, и ее коллеги обнаружили, что один ген в значительной степени отвечает за различия в размерах между породами собак. Рассматриваемый ген кодирует белок, называемый инсулиноподобным фактором роста-1 (IGF-1).
Белок IGF-1 имеет большое значение, когда речь идет о размерах тела у млекопитающих, и породы собак являются особенно ярким примером. Например, у карликвого пуделя в крови плавает гораздо меньше белка IGF-1, чем у более крупного стандартного пуделя. В целом ген, который кодирует белок IGF-1, контролирует примерно 15% различий в размерах у собак, в то время как остальные 19 генов отвечают за остальные. Напротив, у людей существует около 10 000 ДНК-маркеров , каждый из которых играет роль в определении роста человека, причем на самый влиятельный отдельный ген приходится менее половины процента.
Но до сих пор исследователи не могли определить местонахождение мутации или изменения в последовательности ДНК гена в области гена IGF-1, которая приводила к уменьшению количества белка, стимулирующего рост, у мелких собак. Более десяти лет спустя с помощью современного геномного анализа доктор из лаборатории Острандера по имени Джоселин Плассе использовала первую блокировку Covid-19 летом 2020 года, чтобы по-новому взглянуть на область гена IGF-1 у собак. С неортодоксальным подходом: он начал читать часть генетического кода задом наперед.
Это генетическое расследование натолкнулось на конкретный ген, который транскрибируется в так называемую длинную некодирующую РНК, которая названа так потому, что не кодирует никаких белков. Команда обнаружила, что существует две версии или варианта гена, кодирующего эту цепь РНК, присутствующей у домашних собак. Одна из которых, по-видимому, препятствует выработке регулирующего рост белка IGF-1. Поскольку собаки получают по одному набору из 39 хромосом от каждого родителя, у них может получиться две копии одного и того же варианта или по одной копии каждого.
Затем исследователи искали обратные варианты гена IGF-1 в ошеломляющем количестве 1431 генома собачьих. Полные 1156 из этих геномов произошли от современных собак, одного вида, который включает в себя 230 установленных пород, 140 местных и деревенских собак и одного динго (которого обычно считают типом собаки). Помимо всех этих собак, в ходе исследования также были изучены геномы 13 видов диких псовых со всего мира и 35 древних собак и волков.
Острандер говорит, что недавно идентифицированные варианты или аллели «прекрасно сохранились у собак». Среди домашних собак 75% тех, кто весит менее 30 фунтов, имели две копии варианта гена IGF-1, который исследователи назвали аллелем C, и 75% собак, которые весили более 50 фунтов, имели две копии аллеля T. Эти корреляции были настолько сильными, что Острандер и ее соавторы отказались от прозвищ C и T и стали просто называть варианты малыми и большими аллелями.
У диких псовых у волков обычно было две копии большого аллеля, за некоторыми исключениями, в то время как у неволчьих видов, включая лис, шакалов и африканских охотничьих собак, было по две копии маленького аллеля. Койоты также попадают в эту группу, не относящуюся к волкам, но они демонстрируют больше вариаций, поскольку в некоторых частях мира, особенно на востоке Соединенных Штатов, они иногда скрещиваются с волками. Эти койволки, как их в просторечии называют, имеют тенденцию быть больше и часто имеют по крайней мере одну копию большого варианта гена IGF-1.
Наконец, чтобы попытаться выяснить, когда и где появились эти варианты, команда проанализировала геномы самых старых собак, до которых им удалось добраться. Стержнем этих результатов является ДНК древнего волка, которая хранилась в течение 52 500 лет в вечной мерзлоте Сибири. Геном этого животного не содержал двух копий большого варианта, вместо этого у него была одна копия маленького варианта рядом с большим вариантом.
От древних псовых ожидалось, что у них будет две копии большого аллеля. Но оказалось, что малый аллель был в популяции, просто с низкой частотой. Как будто природа держала его “про запас”.
Предполагает, что малый аллель присутствовал по крайней мере 54 000 лет назад и может предшествовать большому аллелю. По оценкам исследователей, 52 500-летний волк с одной копией маленького варианта весил около 48 фунтов. Даже если бы в далеком прошлом волки с двумя копиями аллеля small были нормой, они не были бы размером с игрушечных пуделей из-за того, что 85 процентов вариаций в размерах тела собачьих объясняются генами, отличными от IGF -1.
Этот ген существовал примерно в то время, когда люди начали одомашнивать собак, поэтому люди смогли начать отбор по нему. Это позволило людям очень быстро манипулировать размером тела, чтобы разводить больших собак для охраны, маленьких собак как постухов и даже маленьких собак для ловли крыс.
Графика, показывающая эволюцию собак и генетические мутации, связанные с более мелкими собаками
На этом графике показано распределение варианта небольшого размера тела среди различных типов псовых на протяжении всей истории.
Крупный вариант, возможно, помог древним волкам увеличить размер своего тела, чтобы адаптироваться к более холодному климату, когда они переселились в более северные места обитания.
Мы думаем о маленьких собаках как о странных, но это показывает, что более крупная версия этого гена для собак и волков на самом деле новее или страннее.
Относительно простая генетическая архитектура собак однажды может помочь нам лучше понять, как работают гены у нашего собственного вида. Острандер говорит, что цель ее лаборатории сейчас состоит в том, чтобы попытаться выяснить биологический механизм, с помощью которого этот измененный фрагмент обратной длинной некодирующей РНК регулирует IGF-1 и, соответственно, размер тела.
Эти читающиеся в обратном направлении фрагменты генетического кода, известные исследователям как антисмысловые гены, встречаются в большинстве геномов млекопитающих, включая человека. Например ген, связанный с раком костей, с антисмысловым геном рядом с ним.
Если мы сможем выяснить биологический механизм того, как именно это крошечное изменение в гене ИФР-1 влияет на размер тела, это может дать нам новый способ думать о том, что может происходить с другими генами и связанными с ними чертами. Для генетических заболеваний понимание фактического механизма — это то, что требуется для потенциальной разработки терапии для лечения болезней.
