Цитата(valzyg @ 28.12.2020, 18:51)
Но меня в данном случае интресовало по мраморным, и всем там примочкам - я подтвердил то что знал из практики прочитав теорию
Валера почитай научное исследование по мраморному окрасу:
АННОТАЦИЯ
Сизые голуби ( Columba livia ) демонстрируют необычайное разнообразие вариаций пигментации. Один из таких узоров, Миндаль, характеризуется пестрым лоскутным одеялом цветов оперения, которые распределены явно случайным образом. Миндаль - это сцепленный с полом, полудоминантный признак, контролируемый классическим локусом Stipper ( St ). Гетерозиготные самцы (Z St Z + половые хромосомы) и гемизиготные самки Almond (Z St W) пользуются популярностью у заводчиков за их привлекательное оперение. Напротив, гомозиготные самцы миндаля (Z St Z St) развиваются серьезные дефекты глаз и отсутствует вся пигментация оперения, что позволяет предположить, что более высокая доза мутантного аллеля вредна. Чтобы определить молекулярную основу миндаля, мы сравнили геномы миндальных голубей и не миндальных голубей и определили кандидатный локус St на Z-хромосоме. Мы обнаружили вариант числа копий (CNV) в дифференцированной области, которая захватывает полные или частичные кодирующие последовательности четырех генов, включая ген созревания меланосомы Mlana . Мы не обнаружили фиксированных изменений кодирования генов в CNV, но все гены неправильно экспрессируются в регенерирующих клетках воротничка пера птиц миндаля. Примечательно, что шесть других аллелей у Stлокус связаны с фенотипами депигментации, и все они обнаруживают экспансию одного и того же CNV. Структурная изменчивость у St связана с разнообразием пигментации оперения и экспрессией генов и, таким образом, обеспечивает потенциальный способ быстрой фенотипической эволюции у голубей.
РЕЗЮМЕ АВТОРА Генетические изменения, ответственные за различные цветовые модели животных, плохо изучены, отчасти из-за нехватки исследовательских организмов, которые являются как генетически поддающимися лечению, так и фенотипически разнообразными. Домашние голуби ( Columba livia) были искусственно отобраны по многим признакам, в том числе по огромному разнообразию цветовых узоров, которые варьируются как внутри, так и между разными породами этого единственного вида. Мы исследовали генетическую основу цветового узора, связанного с полом, у голубей, называемых миндалем, который характеризуется разбросанным рисунком пигментации оперения. Голуби с одной копией аллеля Almond имеют желаемый цветовой рисунок; однако самцы голубей с двумя копиями мутации миндаля имеют сильно истощенную пигментацию и врожденные пороки зрения. Сравнивая геномы миндальных и не миндальных голубей, мы обнаружили, что у миндальных голубей есть дополнительные копии области хромосомы, содержащей ген, который имеет решающее значение для образования пигментных гранул. Мы также обнаружили, что разное количество копий этой области связано с разной степенью уменьшения пигментации. Фенотип миндаля у голубей имеет поразительное сходство с мутантами по окраске шерсти мерля у собак, и наши новые результаты, полученные на голубях, предполагают, что схожие генетические механизмы лежат в основе этих черт у обоих видов. Наша работа подчеркивает роль вариации числа копий гена как потенциального двигателя быстрой фенотипической эволюции.
ВВЕДЕНИЕ
В естественных популяциях животных цвета и узоры пигмента влияют на выбор партнера, сигнализацию, мимикрию, крипсизу и отвлечение хищников [ 1 , 2 ]. У домашних животных люди часто выбирают черты пигментации на основе цветов и рисунков, которые они считают наиболее привлекательными. Несмотря на давний интерес к спектральным вариациям цвета и рисунка у животных, мы мало знаем о молекулярных механизмах, которые опосредуют окраску. Понимание генетической основы потрясающего множества цветовых узоров животных приносит пользу из изучения генетически поддающихся изучению видов; однако прогрессу отчасти препятствует ограниченное количество традиционных модельных организмов, которые демонстрируют ограниченные вариации цвета и цветового рисунка.
Домашний сизый голубь ( Columba livia ) - яркий пример изменения, сформированного искусственным отбором, с множеством окрасов и цветовых узоров внутри и среди более чем 350 пород. Поскольку породы домашних голубей принадлежат к одному и тому же виду и являются интерфертильными, голуби предлагают исключительную возможность понять генетические основы пигментных признаков с помощью лабораторных скрещиваний и исследований геномных ассоциаций [ 3 ]. Ранее мы идентифицировали несколько генов, участвующих в определении типа и интенсивности меланинов оперения у голубей [ 4 , 5 ], но значительно меньше известно о молекулярных детерминантах наложения рисунка [ 6]. Молекулярная основа изменчивости паттернов - захватывающий рубеж в генетике пигментации, и недавние исследования у других позвоночных выявили несколько генов, которые вносят вклад в этот процесс. Тем не менее, генетическая основа пигментного рисунка явно менее изучена, чем гены, контролирующие типы пигмента [ 7 - 16 ].
Классический паттерн пигментации у C. livia, известный как Almond, вызван полудоминантной мутацией ( аллель St ) в сцепленном с полом локусе Stipper ( St ) [ 17 ] ( рис. 1 ). В отличие от большинства других характерных черт пигментации у голубей, пестрое или разбросанное лоскутное одеяло цветов оперения у миндаля, по-видимому, случайно внутри и среди особей [ 18 ]. Кроме того, цветовой рисунок меняется непредсказуемым образом с каждой линькой [ 19 - 21 ]. Количество пигментированных перьев у миндальных голубей также увеличивается с каждой последовательной линькой, и этот эффект более выражен у самцов [ 22 ,23 ]. Примечательно, что это явление противоположно тому, что обычно наблюдается с чертами пигментации, которые меняются на протяжении всей жизни человека, такими как витилиго и поседение, что приводит к уменьшению пигмента с течением времени [ 24 - 28 ]. В дополнение к Almond, по крайней мере шесть других аллелей в St приводят к различной степени депигментации у голубей, предполагая, что локус St может быть горячей точкой мутации [ 21 , 29 ].
Рисунок 1.
Скачать рисунокОткрыть в новой вкладке
Рисунок 1.
Фенотипы голубей, несущих аллели миндаля ( St , аллель миндаля; +, аллель дикого типа). (A) Гетерозиготный самец миндаля. (B) Самка Hemizygous Almond. © Гомозиготный самец миндаля. (D) Самки миндаля не имеют видимых дефектов глаз. (E) Гомозиготные самцы миндаля часто имеют серьезные дефекты глаз. Дефекты, изображенные у этого подростка, включают вздутие века и помутнение передней части. (F) Перья на крыльях разных фенотипов, слева направо: не миндаль, темный миндаль, светлый миндаль, гомозиготный миндаль.
Гетерозиготные самцы миндаля (Z St Z + ) и гемизиготные самки миндаля (Z St W; самцы - гомогаметный пол у птиц), каждый из которых имеет одну копию аллеля St , ценятся селекционерами за их привлекательный окрас. Однако гомозиготные самцы миндаля (Z St Z St ) почти всегда лишены пигментации в первом наборе перистых перьев и имеют тяжелые врожденные пороки зрения [ 19 , 30 , 31 ] ( рис. 1B, C).). Характер наследования миндаля предполагает, что доза мутантного аллеля, а не отсутствие аллеля дикого типа, ответственна за пигментный и глазной фенотип у гомозиготных мужчин. Дефекты глаз также связаны с особенностями пигментации у других видов позвоночных, включая собак и лошадей, однако молекулярная основа этих связанных эффектов остается плохо изученной [ 9 , 32 - 37 ]. Таким образом, миндальные голуби могут выявить связи между пигментацией и дефектами глаз, включая то, контролируют ли эти коррелированные признаки плейотропные эффекты одного гена или связанных генов с отдельными эффектами.
В этом исследовании мы исследуем геномную идентичность локуса St у домашних голубей. Сравнение полногеномных последовательностей миндальных и не миндальных птиц показывает вариант числа копий (CNV) у миндальных птиц, который включает полные кодирующие последовательности двух генов и частичные кодирующие последовательности двух других. Один из полных генов, Mlana , играет ключевую роль в развитии меланосомы (органеллы, в которой образуются пигментные гранулы), что делает его сильным кандидатом на фенотип пигментации, наблюдаемый у миндальных голубей. Мы также обнаружили, что разные аллели в St коррелируют с разной степенью распространения одного и того же CNV, тем самым связывая спектр вариантов пигментации с изменениями в одном локусе.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Связанная с полом геномная область связана с паттерном пигментации миндаля
Чтобы определить геномное расположение сцепленного с полом локуса St , мы сравнили геномы 12 миндальных голубей с панелью из 109 не миндальных голубей из различных пород, используя вероятностную меру дифференциации частоты аллелей (pFst) [ 38 ] (подробности см. в таблице S1). Это сканирование всего генома выявило несколько значительно дифференцированных областей, но один превосходил другие на несколько порядков и был расположен на каркасе Z-хромосомы (ScoHet5_227), как и было предсказано классическими генетическими исследованиями ( рис. 2А ). Дифференцированная область ScoHet5_227 (положение 5,186,219-5,545,482; пик SNP, p= 1,1 e-16, порог значимости для всего генома p = 5,5 e-10) содержал восемь аннотированных генов, кодирующих белок, ни один из которых не имел фиксированных изменений кодирования в геномах миндаля по сравнению с геномами не миндаля (VAAST [ 39 ]). Следовательно, паттерн пигментации миндаля, вероятно, не является результатом несинонимичных изменений генов, кодирующих белок.
Фигура 2.
Скачать рисунокОткрыть в новой вкладке
Фигура 2.
Миндаль связан с CNV на геномном каркасе, сцепленном с полом. (A) Сравнение полногеномного pFst между миндальными и не миндальными голубями. Каждая точка представляет позицию SNP с оттенками серого, указывающими на различные геномные каркасы. Горизонтальная пунктирная серая линия указывает порог значимости для всего генома. (B) Детали графика pFst для области-кандидата на ScoHet5_227, связанном с полом каркасе [ 104]. Генные модели изображены внизу графика. © Детальный вид области CNV. Сплошная красная линия представляет собой среднюю нормированную глубину считывания для 10 самок миндальных птиц в этом регионе. Синяя линия - единственный представитель женского покрытия, отличного от миндаля. Вертикальные пунктирные линии указывают положения контрольных точек CNV. Генные модели изображены под графиком покрытия серым цветом (толстые линии - экзоны; тонкие линии - интроны).
Несколько других каркасов содержали последовательности, которые существенно различались у миндальных и не миндальных голубей ( рис. 2А ). Все эти области являются аутосомными, и мы предполагаем, что они связаны с другими цветовыми признаками, которые часто выбираются совместно с миндальным, чтобы дать наиболее желаемый пэчворк цветов, включая T-check (высокомеланистический узор крыльев), бронзовую бронзу. (глубокое покраснение перьев) и рецессивно-красный (признак феомелановой окраски) [ 18 , 21 , 29 ]. Однако, поскольку миндаль является признаком, сцепленным с полом [ 17 ], мы сосредоточили наше внимание на Z-сцепленном каркасе ScoHet5_227.
Вариант числа копий связан с рисунком пигмента миндаля.
В отсутствие фиксированных изменений кодирования между миндальными и не миндальными птицами мы затем спросили, имеют ли птицы с разными фенотипами структурные различия генома в области-кандидате. Мы исследовали охват секвенированием на ScoHet5_227 и обнаружили, что все 12 геномов миндаля имели значительно более высокий охват в кандидатной области миндаля по сравнению с геномами не-миндаля, что указывает на наличие варианта числа копий (CNV) ( рис. 2B, C ). CNV захватывает сегмент эталонного генома размером 77 т.п.н. (ScoHet5_227: 5,181,467-5,259,256) с дополнительным увеличением охвата во вложенном сегменте размером 25 т.п.н. (ScoHet5_227: 5,201,091-5,226,635). Анализ глубины считывания подтвердил 7 копий внешнего сегмента размером 77 т.п.н. и 14 копий внутреннего сегмента размером 25 т.п.н. в геномах самок (Z StW) Миндальные голуби, у которых есть локус St только на одной хромосоме. Мы использовали ПЦР для амплификации через внешние и внутренние контрольные точки CNV миндальных голубей и определили, что CNV состоит из тандемных повторов 77-kb и вложенных 25-kb сегментов ( рис. 3B ).
Рисунок 3.
Скачать рисунокОткрыть в новой вкладке
Рисунок 3.
CNV, связанный с миндалем, имеет сложную структуру, которая приводит к дублированию, усечению и слиянию генов. (A) Диаграмма покрытия, показывающая различные области CNV, нормализованные к области, отличной от CNV, на одном и том же каркасе. Две внешние области (1 и 3, график выше) имеют примерно 7-кратное увеличение покрытия, а одна внутренняя область (2) имеет примерно 14-кратное увеличение покрытия. Модели генов изображены под графиком покрытия серым, оранжевым и синим цветом (толстые линии - экзоны; тонкие линии - интроны). (B) Схема не-миндальной (вверху) и предполагаемой миндальной (внизу) структур CNV. Структурные изменения гена, вызванные CNV миндаля, включают слияние Ermp1 и Kiaa2026 в сегменте 3/1 соединения (шестиугольник) и усеченную версию Slc16a7.на стыке сегмента 2/2 (звезда). Полная копия Slc16a7 находится на каждом 2/3 стыке (ромб).
Затем мы генотипировали область CNV в более крупной выборке миндальных голубей и обнаружили значительную связь между количеством тандемных повторов и фенотипом миндаля (анализ TaqMan; попарный тест Вилкоксона, p = 2,0 e-16). Почти все птицы миндаля имеют более одной копии CNV на Z-хромосому (n = 78 из 80) ( рис. 4 ). И наоборот, почти все птицы, не являющиеся миндалевидными, имели только одну копию на Z-хромосому (n = 55 из 57). Две не-миндальные птицы с> 1 копией на хромосому имели максимум одну дополнительную копию CNV, что указывает на то, что небольшое увеличение числа копий не обязательно вызывает фенотип миндаля. В целом, эти анализы предполагают, что распространение CNV на ScoHet5_227 связано с фенотипом Almond.
Рисунок 4.
Скачать рисунокОткрыть в новой вкладке
Рисунок 4.
Фенотипы пигментации, связанные с St- связью, показывают количественные вариации CNV миндаля. Черные точки представляют собой результаты анализа числа копий TaqMan. Среднее количество копий для каждого фенотипа показано красными точками. Большинство индивидов без St- связанных фенотипов имеют ожидаемые 1 или 2 копии (поскольку St является сцепленным с полом локусом, у женщин минимум 1 копия, а у мужчин минимум 2). Весь другой Санкт - -связанные фенотипы связаны с расширением CNV в области кандидата на миндального строительных лесов ScoHet5_227, что указует на аллельное серии в St . Цифры над каждым фенотипом указывают количество отобранных особей.
Гены внутри CNV неправильно экспрессируются в бутонах миндальных перьев.
Затем мы спросили, связана ли CNV с изменениями экспрессии генов между развивающимися миндальными и не миндальными перьями. Чтобы ответить на этот вопрос, мы сравнили экспрессию генов в области CNV среди птиц с (Z St Z + , Z St W, Z St Z St ) и без (Z + Z + и Z + W) аллелей миндаля. Мы проанализировали бутоны миндальных перьев с темной и светлой пигментацией отдельно, чтобы оценить, различалась ли экспрессия между качественно разными типами пигментации перьев, оба из которых присутствуют в Z St Z + и Z StW Миндальные особи. CNV содержит полные кодирующие последовательности двух генов, Mlana и Slc16a7 , и частичные кодирующие последовательности двух дополнительных генов, Ermp1 и Kiaa2026 ( фиг. 3A ). Согласно расчетам, полученным при секвенировании у птиц Z St W Almond, Mlana будет иметь до 14 копий на одну Z - хромосому ( рис. 3B ). Mlana экспрессируется почти исключительно в меланоцитах (клетках, продуцирующих меланин) и кодирует белок, который имеет решающее значение для созревания меланосом, за счет взаимодействия с матриксообразующим белком Pmel [ 40 - 42]. Таким образом, сочетание биологической роли Mlana и ее местоположения в CNV миндаля делает Mlana сильным геном-кандидатом для фенотипа миндаля.
По сравнению с зачатками перьев без миндаля, экспрессия млана повышена в темных, но не светлых, у птиц Z St Z + и Z St W миндальных перьев или в непигментированных зачатках перьев гомозиготных птиц миндаля (Z St Z St ). ( Рис. 5A ; см. Таблицу S2 и таблицу S3 для получения исходных данных для всех экспериментов qRT-PCR). Мы заметили, что разница в выражении лица Мланакак в темных, так и в светлых бутонах миндальных перьев, хотя и не является статистически значимым (тест Колмогорова-Смирнова), тенденции выше, чем в образцах без миндаля. Это распределение данных может отражать изменчивость самого фенотипа, который характеризуется разным количеством и интенсивностью пигментации перьев как внутри, так и между Z St Z + и Z St W миндальных голубей.
Рисунок 5.
Скачать рисунокОткрыть в новой вкладке
Рисунок 5.
У миндальных и не миндальных перьев есть разные профили экспрессии генов. (A) Экзоны, проанализированные в CNV, показывают различия в экспрессии в почках миндальных перьев по сравнению с не-миндальными перьями. Коробчатые диаграммы показывают результаты анализов qRT-PCR, разработанных для оценки экспрессии генов экзонов, расположенных в области CNV. Результаты экспрессии слитого гена получены из праймеров кПЦР, охватывающих экзон 7 Ermp1 в экзон 5 Kiaa2026.(B) Экзоны, проанализированные вне CNV, не показывают различий в экспрессии в бутонах миндальных перьев по сравнению с не-миндальными перьями. Это указывает на то, что различия в экспрессии специфичны для экзонов внутри CNV. © Экспрессия генов, связанных с меланоцитами. Результаты qRT-PCR указывают на снижение экспрессии нескольких генов, участвующих в производстве меланина в бутонах миндальных перьев. (D) Модель взаимодействий между генами и сигнальными путями, участвующими в различных аспектах синтеза пигмента. Серые прямоугольники указывают пути, обсуждаемые в тексте, но не представленные напрямую в нашем анализе экспрессии. NA, перьевые почки от не миндальных особей с аллелями дикого типа на St; DA, темные зачатки перьев миндаля от гемизиготных и гетерозиготных особей миндаля; LA - светлые бутоны перьев миндаля от гемизиготных и гетерозиготных особей миндаля; HA, перьевые почки гомозиготной особи миндаля. Полоса в каждом поле представляет собой медианное значение, концы прямоугольника указывают на верхний и нижний квартили, усы указывают на самое высокое и самое низкое значение, исключая выбросы. Различными буквами обозначены группы со статистически значимыми различиями в экспрессии генов, определенными с помощью ANOVA и апостериорного теста Тьюки (p <0,05).
Другие гены, полностью или частично входящие в состав CNV, демонстрируют повышенную экспрессию в перьях птиц с по крайней мере одним аллелем миндаля по сравнению с птицами, не являющимися миндалем. Slc16a7 кодирует транспортер монокарбоксилата и, по прогнозам, будет амплифицирован до шести полноразмерных копий у миндальных голубей ( Fig. 3B ). Мы наблюдали 40-кратное увеличение экспрессии Slc16a7 в зачатках миндальных перьев по сравнению с не-миндальными перьями ( фиг. 5A ). Slc16a7 не играет роли в пигментации; однако этот ген экспрессируется у млекопитающих, где он участвует в транспорте молочной кислоты и осмотическом балансе [ 43 - 47 ].
В дополнение к двум генам, полностью содержащимся в CNV, новое слияние Ermp1 (гена металлопептидазы) и Kiaa2026 (неизвестная функция), по прогнозам, будет охватывать внешние контрольные точки CNV ( рис. 3C ). Ни один из генов не играет роли в пигментации или развитии глаз. Предсказанный слитый белок Ermp1 / Kiaa2026 представляет собой усеченную версию Ermp1, включая домен пептидазы и 3 из 6 трансмембранных доменов ( рис. 3B ). 22 аминокислоты из Kiaa2026 на С-конце гибридного белка не включают известный домен белка [ 48 ]; таким образом, слитый белок вряд ли создаст новую комбинацию функциональных доменов. Как и ожидалось, Ermp1 / Kiaa2026Ген слияния не экспрессируется в перьях птиц, отличных от миндаля, но экспрессируется у птиц с аллелями миндаля ( рис. 5А ). Когда мы проанализировали экспрессию экзонов Kiaa2026 и Ermp1, расположенных вне CNV, мы не наблюдали различий в экспрессии между генотипами ( рис. 5B ). Следовательно, CNV миндаля связан с экспрессией нового гибридного гена, но не с различиями экспрессии в полноразмерных транскриптах любого из вносящих вклад генов. Точно так же Ric1 , ген, находящийся непосредственно за пределами CNV, демонстрирует умеренное (менее чем двукратное) увеличение экспрессии в светлых перьях миндаля по сравнению с перьями других типов ( рис. 5B).). Таким образом, гены внутри CNV демонстрируют вариабельную или повышенную экспрессию в перьях миндальных птиц, тогда как гены, прилегающие к CNV, демонстрируют незначительное изменение экспрессии или отсутствие изменений.
Изменения экспрессии генов предполагают дисфункцию меланоцитов в зачатках миндальных перьев
Паттерны пигментации оперения у птиц Z St Z + , Z St W и Z St Z St Almond радикально отличаются от птиц, не относящихся к миндалям, что позволило нам предположить, что другие компоненты пути меланогенеза также могут отличаться. Производство меланина меланоцитами - многоступенчатый процесс, который начинается с активации нескольких путей, включая передачу сигналов Wnt и Mc1r, через внеклеточные лиганды и агонисты [ 49 - 52 ]. Впоследствии экспрессия факторов транскрипции, включая Mitf, активирует генетический каскад, который в конечном итоге способствует созреванию функционального меланоцита [ 53]. Внутри самого меланоцита серия ферментативных реакций и сборка меланосомы приводит к образованию и отложению пигментов. Затем меланосомы переносятся в клетки кожи и придатки эпидермиса, включая перья. У голубей и других птиц с пигментами на основе меланина баланс отложений феомеланина (красный, желтый) и эумеланин (черный, коричневый) определяет цвет оперения [ 54 ].
Чтобы определить, расходятся ли сигналы продукции пигмента между миндальными и не миндальными перьями, мы измерили экспрессию нескольких маркерных генов созревания и функции меланоцитов с помощью qRT-PCR. Сначала мы исследовали гены, участвующие в выживании и дифференцировке меланоцитов, оба из которых являются важными ранними событиями в производстве меланина. Sox10 , который кодирует фактор транскрипции, который активирует экспрессию многих нижестоящих генов, включая экспрессию Mitf , Tyrosinase и Tyrp1 [ 55 ], подавляется только в светлых миндальных и гомозиготных зачатках миндальных перьев ( Рис. 5B ). Потому что Sox10 регулирует Mitfи других генов меланоцитов, этот результат указывает на то, что дисфункция меланоцитов возникает рано в слабо пигментированных миндальных перьях, но не в темных миндальных перьях. Второй ген маркера дифференцировки и выживания меланоцитов, Mitf , кодирует фактор транскрипции, который активирует экспрессию тирозиназы, Tyrp1, Pmel и Mlana [ 40 , 53 , 56 , 57 ]. В отличие от Sox10 , Mitf не экспрессируется дифференциально ни в одном из тестируемых нами фенотипов ( рис. 5C ). Этот результат позволяет предположить, что меланоциты присутствуют в перьях всех фенотипов, даже в сильно депигментированных перьях [ 9]. Два гена, которые активируют экспрессию Mitf ( Sox10 и Mc1r , см. Ниже; фиг. 5C ), подавляются, что означает, что Mitf также будет подавляться. Однако сохранение высокой экспрессии Mitf может быть результатом активации другими путями, такими как передача сигналов Wnt и c-Kit [ 56 ]. В совокупности наши результаты экспрессии генов показывают, что меланоциты присутствуют во всех перьевых зачатках миндальных голубей ( выражен Mitf ), но снижено Sox10.экспрессия в светлых и гомозиготных перьях миндаля предполагает, что множественные копии CNV миндаля связаны с дисфункцией на ранних этапах меланогенеза в светлых и гомозиготных перьях миндаля ( экспрессия Sox10 снижена).
Затем мы проанализировали гены, участвующие в производстве пигмента, индикатор функции меланоцитов. Mc1r , который кодирует рецептор, связанный с G-белком, необходимый для продукции эумеланина [ 58 ], и тирозиназа , кодирующая критический фермент как для продукции эумеланина, так и феомеланина, подавлялись только в гомозиготных зачатках миндальных перьев ( рис. 5C ). Следовательно, экспрессия двух ключевых детерминант продукции пигмента затрагивается только при наиболее тяжелом фенотипе депигментации. Tyrp1 , который кодирует другой фермент, важный для эумеланина, но не для производства феномеланина [ 59], подавлялась во всех зачатках миндальных перьев, с наиболее серьезными эффектами в легких и гомозиготных зачатках миндальных перьев ( рис. 5C ). Таким образом, путь синтеза эумеланина затронут во всех перьях миндаля, но гены образования пигмента и функции меланоцитов более подвержены влиянию в светлых зачатках миндальных перьев и гомозиготных почек миндальных перьев, при этом наиболее серьезное подавление наблюдается у гомозигот ( рис. 5C ).
Наконец, мы измерили экспрессию гена структуры меланосомы Pmel . Считается, что структура меланосом необходима для выработки эумеланина, но не феомеланина [ 60 ]. Pmel - это амилоидный белок, который составляет часть матрикса меланосомы, важного структурного компонента зрелой меланосомы [ 60 - 62 ]. Наш ген-кандидат Mlana кодирует белок, который взаимодействует с Pmel и также имеет решающее значение для формирования матрикса меланосомы. Мы обнаружили, что Pmel подавляется во всех зачатках перьев миндаля, и наиболее сильно у двух наиболее депигментированных типов, светлого миндаля и гомозиготного миндаля ( рис. 5C ). Как описано выше, Мланавыражение увеличивалось в темных миндальных перьях, но было похоже на не-миндальные у светлых миндальных перьев и гомозиготных миндальных перьев. Эти результаты трудно согласовать, потому что эти два гена регулируются Mitf. Тем не менее, наши результаты показывают, что даже пигментированные перья у миндальных птиц показывают измененную экспрессию генов пигментации.
Таким образом, в гомозиготных зачатках миндальных перьев путь продукции пигментации изменяется на ранней стадии эумеланогенеза. У птиц с одной копией аллеля миндаля (Z St Z + и Z St W) светлые перья показывают подавление большего количества генов продукции эумеланина, чем темные перья. Таким образом, фенотипически разные миндальные перья имеют разные профили экспрессии пигментных генов.
Другие аллели в локусе St являются вариантами числа копий.
Классические генетические исследования указывают на множественные аллели депигментации в локусе St [ 20 , 29 , 63 , 64 ]. Чтобы определить, связан ли CNV миндаля с этими другими аллелями, мы генотипировали голубей с другими фенотипами, связанными с St, и обнаружили значительное увеличение числа копий у Qualmond ( St Q ; N = 10, p = 8,3e-06), Sandy ( St Sa ; N = 3, p = 3.2 e-02), Блеклый ( St Fa ; N = 11, p = 5.0e-07) и Меловой ( St C ; N = 6, p= 2.7e-04) голубей по сравнению с птицами без St- связанных фенотипов ( рис. 4 , таблица S4). Другой аллель, Frosty ( St fr ), показал тенденцию к увеличению числа копий, которая не достигла значимости (N = 6, p = 1). Вместе эти результаты демонстрируют, что увеличение числа копий связано с множеством аллелей депигментации в локусе St.
Затем мы спросили, имеют ли разные аллели St одинаковые контрольные точки CNV. Мы амплифицировали и секвенировали контрольные точки Almond CNV у голубей Qualmond (N = 4), Sandy (N = 2), Faded (N = 2) и Chalky (N = 4) и обнаружили, что контрольные точки идентичны для всех протестированных фенотипов. . Следовательно, за одним исходным мутационным событием, вероятно, следовала разная степень экспансии в разных аллелях St. Примечательно, что контрольные точки сегмента 77 т.п.н. (ScoHet5_227: 5,181,467 и 5,259,256) обогащены CT-повторами. Эти сайты повторов могут способствовать неаллельной гомологичной рекомбинации, которая могла бы дать аллельный ряд St [ 65 ].
ОБСУЖДЕНИЕ
Млана - сильный кандидатный ген для фенотипа миндаля.
Мы идентифицировали CNV, связанную с изменчивостью пигментации оперения и дефектом глаза у домашних голубей. Различное количество копий этого структурного варианта связано с серией аллелей депигментации в одном и том же локусе. В перьях миндальных птиц CNV связана с изменениями в экспрессии генов в ее пределах.
Один из этих генов, Mlana , является сильным кандидатом на роль миндаля из-за его роли в созревании меланосом. Mlana и Pmel совместно регулируются Mitf, и их белковые продукты физически взаимодействуют друг с другом в процессе формирования матрикса в меланосоме [ 41 , 66 ]. Примечательно, что мутации Pmel вызывают фенотипы пигментации у крупного рогатого скота, кур и мышей [ 67 - 70 ]. Мутации Pmel у лошадей, собак и рыбок данио приводят как к фенотипам пигментации, так и к дефектам глаз, как у миндальных голубей [ 37 , 71 - 75]. Например, рисунок шерсти мерля у собак связан со вставкой транспозона в интрон гена PMEL , что приводит к нефункциональному белку PMEL и фенотипу, который очень похож на фенотип миндаля у голубей [ 37 , 72 ]. Собаки, гомозиготные по мутации PMEL , как и гомозиготные миндальные голуби, сильно гипопигментированы. Кроме того, у собак с гомозиготными мутантами PMEL наблюдаются различные дефекты глаз, такие как повышенное внутриглазное давление, аметропия, микрофтальмия и колобома [ 76 ]. Наблюдение за тем, что Пмель, который напрямую взаимодействует с Мланой, неоднократно связан как с пигментацией, так и с дефектами глаз, заставляет Мланусильный кандидат на сходные коррелированные фенотипы у миндальных голубей. Сходным образом, у людей и мышей мутации в генах меланосом (напр., Oca2 , Slc45a2 , Slc24a5 ) вызывают депигментацию эпидермиса и дефекты глаз, тем самым дополнительно демонстрируя общую связь между этими структурами в процессе развития [ 77 - 79 ].
Другой полноразмерный ген в CNV, Slc16a7 , не играет известной роли в пигментации. Однако этот ген является членом класса переносчиков монокарбоксилата, которые необходимы для эффективного удаления лактата из фоторецепторных клеток для предотвращения внутриклеточного ацидоза, а также для поддержания высокой скорости гликолиза и правильного клеточного метаболизма [ 44 - 46 , 80 , 81 ]. Мы предполагаем, что нерегулярная экспрессия этого гена может привести к гибели или дисфункции клеток, вызывая токсические концентрации молочной кислоты или препятствуя транспорту молочной кислоты к соседним клеткам. При регенерации миндальных перьев Slc16a7Экспрессия существенно возрастает (в 40 раз) по сравнению с перьями не миндального происхождения, что повышает вероятность того, что этот ген каким-то образом участвует в пигментации. Короче говоря, изменения в экспрессии Slc16a7 могут управлять компонентами фенотипа Almond в перьях, глазах или, возможно, в обоих. Однако, учитывая связанные фенотипы пигмента и глаз, наблюдаемые у мутантов Pmel у других видов, одной только Mlana могло быть достаточно, чтобы вызвать пигментацию и дефекты глаз у миндальных голубей. В будущей работе будут изучены эти различные возможности.
У миндальных птиц изменена экспрессия генов
У других организмов изменение количества копий может приводить к изменениям экспрессии генов в том же направлении, что и изменение количества копий (т. Е. Наличие большего количества копий коррелирует с более высокой экспрессией) [ 82 - 84 ]. Мы наблюдали аналогичную тенденцию к более высокой экспрессии генов, захваченных в связанном с миндалем CNV ( фиг. 5A ). Однако, в отличие от этой тенденции, Млана показала усиление экспрессии у темных миндальных перьев, но не у светлых миндальных или гомозиготных миндальных (непигментированных) перьев. Млана также является геном с наибольшим увеличением числа копий: до 14 копий в геномах гемизиготного миндаля и 28 копий в геноме гомозиготного миндаля.
Принимая во внимание вышеприведенные наблюдения экспрессии генов, почему гомозиготные птицы миндаля могут не обладать экспрессией Mlana в зачатках перьев, если у них есть 28 копий гена? Одна из возможностей - эпигенетическое молчание. Высокое количество копий в тандемных массивах вызывает молчание генов у некоторых организмов [ 85 - 89 ]. У плодовых мушек, например, тандемные массивы приводят к неоднородной экспрессии гена белого глаза [ 86 ]. Это изменение выражения, в свою очередь, приводит к мозаичному цвету глаз, сценарию, напоминающему цветной мозаицизм в перьях миндальных голубей. На мыши экспериментально уменьшили количество копий lacZв тандемном массиве вызывает увеличение экспрессии генов, указывая на то, что уменьшение числа копий может ослабить молчание генов [ 88 ]. Точно так же возможно, что уменьшение числа соматических копий может ослабить сайленсинг генов и восстановить более высокую экспрессию Mlana в зачатках темного миндаля.
Еще одно возможное объяснение отсутствия экспрессии Mlana в гомозиготных миндальных перьях - это гибель клеток или опосредованное иммунитетом разрушение меланоцитов. Сверхэкспрессия Mlana может оказывать токсическое действие на клетки, приводя к их гибели до созревания меланоцитов. Аналогичным образом , у людей, избыточная экспрессия генов часто связана с заболеванием [ 90 - 92 ], так и в дрожжах, избыточная экспрессия генов может уменьшить скорость [рост 93 ]. С другой стороны, меланоциты миндаля могут вызывать аутоиммунный ответ, аналогичный разрушению меланоцитов при нарушениях пигментации человека. MLANA является доминирующей антигенной мишенью для аутоиммунного ответа Т-клеток в коже человека, пораженной витилиго [ 94 ,95 ], и, возможно, презентация антигенов Mlana у миндальных голубей вызывает реакцию, которая истощает меланоциты в развивающихся зачатках перьев. Потенциально аналогичный аутоиммунный ответ истощает популяцию меланоцитов и имитирует витилиго у кур линии Smyth [ 96 ].
Если гены в CNV случайно заглушаются у миндальных голубей или клетки с высокой экспрессией случайно избегают гибели клеток, то мы можем ожидать увидеть высокую дисперсию в экспрессии генов среди образцов миндальных перьев. В соответствии с этим предсказанием, дисперсия в экспрессии Mlana как в темных, так и в светлых почках миндальных перьев выше, чем в образцах без миндаля ( рис. 5A ). Эта разница может также объяснить случайный образец пигментации и депигментации, наблюдаемый в перьях этих птиц. Если на каждую популяцию клеток воздействуют по-разному из-за случайных событий, приводящих к дифференциальной экспрессии, то результатом могут быть случайные паттерны пигментации.
CNV как механизмы быстрой генерации новых фенотипов
Помимо обнаружения CNV в локусе St у птиц Almond, мы обнаружили количественные вариации числа копий среди других аллелей в этом локусе. Изменение этого CNV может иметь количественный эффект на депигментацию, причем степень увеличения числа копий коррелирует со степенью депигментации и дефектов глаза. Например, заводчики голубей сообщают, что Sandy и Whiteout - два фенотипа с одним из самых высоких количеств копий CNV ( Рис. 4 ) - имеют ассоциированные дефекты глаз, подобные Almond (Тим Квидера, личное сообщение) [ 29 , 63 ]. Хотя в настоящее время у нас есть небольшая выборка других St-связанные фенотипы, мы видим тенденцию к тому, что другие аллели производят более мягкие пигментные фенотипы и имеют меньшую экспансию CNV, чем аллель Almond. Сходные количественные эффекты CNVs наблюдаются также и у других организмов, включая корреляцию между размером гребня и числом копий интрона 1 Sox5 у кур [ 97 ].
Заводчики голубей сообщили, что родители с одним St- связанным фенотипом могут давать потомство другого фенотипа в серии St [ 29 , 98 ]. В частности, голуби Faded, Qualmond и Hickory дали потомство Almond. Эти классические исследования селекции предполагают, что преобразование аллелей может происходить быстро и, основываясь на наших открытиях изменения числа копий среди аллелей St , может быть результатом простого расширения или сжатия CNV. В другом поразительном сходстве между MERLE собак и миндальными голубями, зародышевыми расширениями или сокращениями Мерлы аллели PMEL результате в спектре пальто модели фенотипов , которые могут отличаться от родителей и потомства [72 , 99 ]. Таким образом, нестабильные ВКК , как тот , который мы нашли в Санкт - локусе может обеспечить механизм для чрезвычайно быстрого фенотипической диверсификации голубей и других организмов [ 100 - 103 ].
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/688671v1.fullНу как, подтвердилась твоя практика?
.gif)
Что бы меньше самому писать.
.gif)
, если у тебя голуби с распределением..gif)
.gif)