Кошки, гены и эволюция - Павел Михайлович Бородин

У обычных полосатых котов с белком Агути все в порядке (его кодирует доминантный аллель А). Агути без проблем находит рецептор Экстеншн (доминантный аллель Е), связывается с ним и отключает его. После этого запускается программа синтеза пигмента по умолчанию (рис. 3–2). На фоне отключенного Экстеншна активизируется белок – транспортер цистеина. Этот белок накачивает в клетку аминокислоту цистеин50. В условиях достаточного количества цистеина запускается синтез феомеланина. В итоге он доверху забивает меланосомы, и волос растет светлым.

Откуда же берутся темные полосы на волосе? В клетке кожи существуют две противоборствующие белковые группировки: одна всеми силами старается поддержать синтез Агути, другая, наоборот, старается этот белок уничтожить. Каждая из группировок с переменным успехом то выигрывает, то проигрывает, поэтому концентрация Агути то растет, то падает (рис. 3–2).

Рис. 3–2. Взаимодействие Агути, α-MSH и Экстеншна обеспечивает переключение между синтезом фео– и эумеланина, благодаря чему вдоль волоса формируются светлые и темные полосы.

Когда Агути мало, то с Экстеншном связывается его второй лиганд – α-MSH (рис. 3–2). В отличие от Агути, α-MSH активирует Экстеншн, и тот изменяет свою форму. На выступающем в цитоплазму конце Экстеншна сидит белок Gsα. Так как конец Экстеншна искривляется, то белок Gsα больше не может удержаться и отваливается. Делать ему теперь нечего, поэтому он идет и донимает своим вниманием другой белок – киназу А. От повышенного внимания белка Gsα киназа А активируется, идет в ядро и там через посредников запускает синтез белков, участвующих в производстве эумеланина, среди которых есть белок Браун. Вдобавок ко всему активированный Экстеншн через белки-почтальоны тормозит работу транспортера цистеина.

Из-за уменьшающегося количества цистеина в меланосомах тормозится синтез феомеланина, а новоприбывший белок Браун с товарищами начинают синтезировать эумеланин. В итоге зрелые меланосомы оказываются набитыми эумеланином, а феомеланина в них мало – отчего формируется темная полоса вдоль волоса. Теперь, разобравшись с нижним уровнем полосатости (полосы вдоль волоса), перейдем к среднему уровню – градиенту от темной спины к светлому животу.

Темный верх, светлый низ, или Средний уровень полосатости

Если внимательно (сверху, снизу и с боков) посмотреть на полосатого кота, то станет ясно, что его живот окрашен гораздо светлее спины. Четкие полоски на голове, спине и боках размываются по мере приближения к животу, а на нем и вовсе исчезают. Почему? Для кошек ответа пока нет, но он есть для собак, а поскольку окраска у всех млекопитающих формируется сходным образом, будем считать, что и у кошек все точно так же (по крайней мере, в отношении окраски живота).

Напомним, что любой ген состоит из двух частей: промотора и кодирующей части. На промоторе буквами-нуклеотидами А, Г, Ц, Т написано: “ЗДЕСЬ НАЧАЛО ГЕНА”. Фермент РНК-полимераза соединяется с промотором, запускает синтез РНК по матрице ДНК и ведет его вплоть до конца гена (терминатора), на котором написано: “ЗДЕСЬ КОНЕЦ ГЕНА”. После этого синтез завершается, и РНК-полимераза уплывает в поисках промотора какого-нибудь другого гена.

Промоторы могут быть временно или навсегда открыты или закрыты. Открытый промотор открыт для РНК-полимеразы. Если промотор определенного гена закрыт, то это значит, что на него насели разные белки-подавители и РНК-полимераза физически не может с ним связаться, не может начать синтез РНК и запустить производство нужного белка.

Собачий ген Агути содержит два промотора51. Один работает (то есть открыт) только в клетках кожи на животе, груди и голове, а другой – на спине и хвосте. Промотор живота всегда открыт для РНК-полимеразы, которая свободно производит много молекул мРНК, которые потом транслируются, образуя много молекул белка Агути. Возникает избыток феомеланина и волосы растут очень светлыми. Промотор спины и хвоста более капризный – он то открыт, то закрыт. РНК-полимераза синтезирует Агути с переменным успехом, что дает шанс эумеланину проявить себя и затемнить спину и хвост.

Теперь вы знаете, что за полосатость нижнего и среднего уровней – то есть неравномерность окраски вдоль волоса и от спины к животу – отвечает ген Агути. Нам осталось разобрать последний, верхний уровень – полосатость вдоль тела.

Точки, полосы, разводы – высший уровень полосатости

Разница между светлыми и темными полосами вдоль тела

Раньше считалось, что светлые и темные полосы на теле кошки определяет белок Агути. Якобы в светлых полосах Агути синтезируется больше, чем в темных. Однако потом выяснилось, что пара “Агути – Экстеншн” работает одинаково по всему телу. Меланоциты как в светлой, так и в темной полосе производят одинаковое количество феомеланина. Тогда почему мы видим рисунок у кошек?

Дело в том, что в дополнение к Агути и Экстеншну в меланоцитах работает еще одна пара белков-маляров: лиганд EDN3 (эндотелин 3) и его рецептор EDNRB (эндотелиновый рецептор типа B). Удобоваримых названий для этих белков пока не придумали, поэтому нам придется оставить эти.

Рис. 3–3. Клетки, расположенные в светлых и темных полосах на теле кошки, различаются количеством производимого белка EDN3 и, следовательно, соотношением эу– и феомеланина.

EDN3 – это гормон, который вырабатывается у эмбриона в клетках, расположенных у основания стержня волоса. Связывание EDN3 с EDNRB запускает синтез эумеланина (рис. 3–3). Это происходит, как и почти все в клетке, опосредованно: через белки-почтальоны. Чем больше белка EDN3 в клетке, тем активнее он связывается с EDNRB, тем интенсивнее идет наработка эумеланина и тем темнее полоса.

В светлых полосах белка EDN3 очень мало, поэтому эумеланина образуется совсем немного. Параллельно в тех же самых клетках белок Агути связывается с Экстеншном, и запускается синтез феомеланина. В результате количество желтого пигмента превышает количество черного, и растущие в этих областях волосы получаются светлыми.

В темных полосах белка EDN3 очень много, синтез эумеланина идет интенсивно. Белок Агути все так же связывается с Экстеншном, но количество эумеланина во много раз перекрывает количество феомеланина: растут темные волосы.

Так формируется разница в цвете между светлыми и темными полосами. Возникает логичный вопрос: а как клетки знают, в какой полосе они находятся и сколько им нужно синтезировать EDN3? Тут нам с вами понадобится модель Тьюринга.

Общая модель Тьюринга

Алан Тьюринг был последним энциклопедистом. Его работы оставили неизгладимый след в математике, логике, философии науки, информатике, криптологии и теоретической биологии. Широкой публике он известен как расшифровщик немецких секретных кодов во время Второй мировой войны и творец машины Тьюринга, которую можно считать предтечей современных компьютеров. Тьюринг стоял у колыбели искусственного интеллекта. Он нашел строго формализованный ответ на вопрос “Может ли машина мыслить?”, предложив знаменитый тест Тьюринга: