Ген, называемый Alx3, блокирует дифференцировку клеток, вырабатывающих пигмент, в коже африканской полосатой мыши, в результате чего появляются характерные для мыши светлые полосы, как показало новое исследование. Этот же ген также определяет рисунок полос у североамериканских бурундуков, и похожие узоры полос развились у этих двух групп животных независимо друг от друга, сообщают исследователи в выпуске журнала Nature за эту неделю.
Как развиваются и эволюционируют цветовые узоры животных, является давним вопросом биологии развития. Исследователь HHMI Хопи Хекстра из Гарвардского университета изучает развитие и эволюцию полосатых узоров у диких мышей, поскольку эти полосы могут играть важную роль, помогая мышам убегать от хищников. Кроме того, дикие мыши тесно связаны с лабораторными мышами, для которых доступны различные генетические и геномные инструменты. «Мы работаем над немодельным организмом, который тесно связан с моделью, поэтому мы можем получить лучшее из обоих миров», - объяснил Хекстра.
Чтобы выяснить, как у африканской полосатой мыши появились полосы, Рикардо Малларино, научный сотрудник лаборатории Хекстры, сначала изучил, как полосы формируются во время эмбриогенеза мыши. Он обнаружил, что пигментообразующие клетки кожи, называемые меланоцитами, не могут дифференцироваться в областях, соответствующих расположению светлой полоски. Меланоциты, которые не могут дифференцироваться, не могут производить пигмент, что приводит к осветлению волос.
Чтобы выяснить, какие гены были задействованы, Малларино и его коллеги использовали секвенирование РНК для измерения всех генов, которые были активированы в коже в светлой полосе по сравнению с генами в коже, на которой выросли более темные волосы. Команда идентифицировала ген под названием Alx3, который был сильно экспрессирован в светлой полосе, но не в темных участках. Когда они сравнили экспрессию Alx3 у африканской полосатой мыши и у обычной лабораторной мыши, они обнаружили, что все мыши экспрессируют Alx3 на животе, но африканская полосатая мышь также экспрессирует Alx3 в виде полос на спине. «Похоже, что произошло то, что Alx3 был ассимилирован из своей роли в создании светлых животов, и теперь он выражается там, где будет формироваться полоса», - объяснил Хекстра.
Раньше этот ген не был связан с пигментацией, поэтому исследователи не были уверены, как этот ген влияет на цвет волос мыши. Чтобы выяснить это, исследователи провели анализ связывания белка с ДНК, чтобы определить участки ДНК, с которыми может связываться белок ALX3. Они обнаружили, что ALX3, фактор транскрипции, связывается с промотором и репрессирует MITF, известный регулятор дифференцировки меланоцитов.
Чтобы дополнительно изучить функцию гена, исследователи продемонстрировали его избыточную и недостаточную экспрессию у лабораторных мышей и в клеточной культуре соответственно. С помощью инъекций под ультразвуковым контролем исследователи вводили беременным мышам лентивирус, несущий ген Alx3. Вирус проник в развивающиеся эмбрионы, где он сверхэкспрессировал Alx3 в меланоцитах. У этих эмбрионов меланоциты не могли дифференцироваться, что приводило к снижению синтеза пигмента. Напротив, в клетках, где Alx3 был сбит с помощью малых РНК-шпилек, исследователи обнаружили, что синтез меланина увеличился, что привело к увеличению производства пигмента..
Чтобы увидеть, является ли этот недавно обнаруженный механизм, контролирующий цвет волос мыши, общим явлением, исследователи обратились к североамериканскому бурундуку, у которого есть похожие полосы и который эволюционно отделен от африканской полосатой мыши на 70 миллионов лет. Анализ биоптатов кожи бурундуков показал аналогичный паттерн экспрессии Alx3.«Один и тот же механизм неоднократно развивался в двух линиях передачи для одной и той же цели», - объяснил Малларино.
Заглядывая вперед, исследователи хотели бы понять, что контролирует экспрессию Alx3, и может ли изменение времени и места экспрессии Alx3 объяснить эволюцию новых цветовых узоров в природе. «Следующий шаг - выяснить, что контролирует экспрессию Alx3», - сказал Малларино. «Можете ли вы просто изменить, где и когда экспрессируется Alx3, чтобы генерировать разнообразные узоры чередования? Мы не знаем ответа, но это то, что нас волнует», - добавил Хекстра.