Всего один ген может контролировать разнообразие рисунка кожи змей

У многих животных окраска кожи и ее узоры играют решающую роль в маскировке, общении или терморегуляции. У кукурузного полоза некоторые морфы демонстрируют красные, желтые или розовые пятна, а их спинные пятна могут сливаться или превращаться в полосы. Но какие генетические и клеточные механизмы определяют эти красочные узоры?

Группа ученых из Женевского университета (UNIGE) обнаружила, что в этих вариациях участвует один ген, CLCN2. Исследование, опубликованное в Genome Biology, открывает новые перспективы эволюции и генетики окраски животных.

Окраска и рисунок кожи маисового полоза Pantherophis guttatus обусловлены расположением и локализацией хроматофоров — клеток, обнаруженных в коже многих животных и содержащих пигменты или светоотражающие кристаллы.

У этих рептилий спины обычно покрыты красными пятнами, обведенными черным на оранжевом фоне, а на брюшной стороне — черно-белая шашка. Однако различные морфы могут демонстрировать широкий спектр других цветов и узоров.

Среди часто наблюдаемых вариаций — морфа Motley, где спинные пятна сливаются или прерываются, создавая более линейный рисунок, и морфа Stripe, которая характеризуется непрерывными продольными полосами вдоль спины. Оба варианта имеют отличительную характеристику: однотонный живот без клетчатого рисунка.

Группа под руководством профессора Атанасии Цики и Мишеля Милинковича из UNIGE, поставила перед собой цель охарактеризовать эти мутации.

С помощью скрещивания пестрых и полосатых змей и секвенирования генома потомства исследователи обнаружили, что оба фенотипа связаны с мутациями в одном гене: CLCN2.

Этот ген кодирует белок, расположенный на клеточной мембране, образуя канал, который транспортирует ионы хлора через мембрану. Дифференциальное распределение ионов создает электрический потенциал между внутренней и внешней частью клетки, обеспечивая передачу клеточных сигналов.

У пестрых змей вариация вызвана не мутацией самого гена, а сильным снижением уровня его экспрессии. Однако у полосатых змей в ген CLCN2 вставляется небольшой фрагмент ДНК — транспозон, что делает белок нефункциональным.

«Эти результаты оказались весьма неожиданными, поскольку у людей и мышей канал CLCN2 необходим для нейронной активности, а мутации в этом гене связаны с серьезными заболеваниями, такими как лейкоэнцефалопатия — заболевание, поражающее белое вещество мозга», — объясняют соавторы исследования Софи Монтандон и Пьер Бодье из лаборатории Милинковича/Цика. «Поэтому мы разработали генетические эксперименты на кукурузных полозах, чтобы инактивировать ген CLCN2. Полученные мутанты продемонстрировали фенотип Stripe, что подтверждает участие гена».

Чтобы лучше понять роль CLCN2, ученые исследовали, в каких органах и типах клеток этот ген экспрессируется у маисовых полозьев.

Транскриптомный анализ показал, что CLCN2 экспрессируется в мозге взрослого человека — подобно мышам и людям — но также и в хроматофорах во время эмбрионального развития. Затем исследователи сосредоточились на том, как формируются цветовые узоры у эмбрионов.

Они заметили, что у мутантов хроматофоры не могут должным образом агрегироваться, чтобы сформировать характерные пятна. Вместо этого они организуются в полосы, как это видно у особей Stripe.

«Наши результаты показывают, что мутация в гене CLCN2 у маисовых полозьев не вызывает неврологических или поведенческих расстройств. Однако этот белок играет важную и ранее неизвестную роль в развитии паттернов окраски кожи», — заключает соавтор исследования Асьер Уллате-Аготе.

Следующий этап исследования будет сосредоточен на понимании роли хлоридного иона CLCN2 в мембранах хроматофора, в частности, того, как он влияет на взаимодействие между пигментированными клетками. Цель состоит в том, чтобы расшифровать клеточные механизмы, которые приводят к впечатляющему разнообразию окрасок, наблюдаемому не только у кукурузных змей, но и у других рептилий.