Так наследуется окраска масть у лошадей
Введение в генетику масти лошади
Введение
Масть и отметины являются относительно простыми, но в то же время достаточно объективными внешними признаками, позволяющими идентифицировать животных и облегчающими их индивидуальный учет, что традиционно вызывает повышенный интерес как у ученых, так и у селекционеров-практиков. Описывать масть и отметины следует точно, единообразно, чтобы впоследствии облегчить установление соответствия лошадей зоотехническим, ветеринарным и инвентаризационным документам. Масть может также служить признаком происхождения и породы.
У различных народов существуют поговорки, связывающие масть животного и его продуктивность или склонность к болезням. «Окраска лошади должна характеризовать ее сущность» – говорили арабы. Иппологи XVI века считали, что масть лошади имеет прямую связь с ее физиологией и характером: «Рыжая – сангвиническая – огонь; черная – меланхолическая – земля; белая – флегматическая – вода». Существует и прямо противоположное мнение: «Хорошая лошадь не имеет масти».
Наряду с основными хозяйственно-полезными признаками – резвостью, рабочими качествами, прыжковыми задатками и т.п., – масть также является существенным, учитываемым в селекции показателем. В частности, в спортивном коневодстве «мода» на масть периодически меняется, что требует от селекционеров готовности переключиться на производство продукции, удовлетворяющей запросам рынка.
До разработки методов ДНК-анализа теории наследования мастей базировались преимущественно на популяционно-генетических статистических методах, что позволяло сделать определенные заключения о характере наследования. Но поскольку разработанные теории не могли объяснить всего богатства окраски лошади, многие вопросы оставались открытыми.
В данном пособии предложена уточненная классификация мастей на русском языке с учетом новейших данных мировой генетики и исследований мастей с использованием молекулярно-генетических методов.
В настоящем издании генетика мастей и их дифференциация описаны в соответствии с современным состоянием знаний в данной области науки: большая часть данных была получена коллективами ученых стран мира в 2003-2005 гг.
1. Краткая история изучения генетики мастей
Многообразие мастей поражает воображение заводчиков уже не одно столетие. Вне зависимости от того, приписывали ли лошади той или иной масти какие-то особенные качества, становились ли животные определенной окраски символом для всадника или хозяина или просто появление нового оттенка шерсти вызывало определенную радость, интересные цветовые варианты внимательно изучали и пытались их закрепить посредством селекционной работы. Так на протяжении нескольких тысячелетий удалось из дикой окраски предков лошади получить огромную палитру мастей, наблюдаемую у современных животных.
Наряду с чисто эстетическим удовольствием от получения редкой интересной масти все чаще поднимались вопросы изучения генетической основы их появления и соответствующего прикладного использования новых знаний в разведении. Уже в начале 20 века коннозаводчики и ученые на основании практических наблюдений наряду с накоплением описаний различных мастей стали составлять схемы и формулировать основные закономерности наследования мастей у лошади (например, Walther, 1912; Munckel, 1929, Юрасов, 1936 и др). Изучали и наследование белых отметин.
Однако при попытках применения этих теорий в практике коневодства снова и снова обнаруживалось, что не все наблюдаемые вариации могут быть объяснены той или иной существующей теорией, наблюдались многочисленные исключения.
Основной ошибкой приводящей к несоответствию теории практике, была попытка объяснить все многообразие мастей действием двух-трех, максимум четырех генов, – заблуждение, сохранявшееся в коневодстве частично до второй половины ХХ века (напр. Lehmann, 1975). Такие теории хотя и позволяли достоверно объяснить возникновение основных мастей и их наследование в большинстве культурных пород, но для объяснения наследования мастей в большинстве пород пони и местных пород оказывались несостоятельными.
В 50-60-е годы исследования по систематике мастей лошади получили активный толчок вследствие начавшегося сравнения наследования окраски разных видов млекопитающих (Castle, 1954; Searle, 1968) и приложения знаний о других млекопитающих, в первую очередь домашних животных, к лошади. Особенно часто новые локусы и серии локусов окраски идентифицировались у мышей и пушных зверей (Silver, 1958; Green, 1961). Были осуществлены попытки экстраполяции открытых биохимических механизмов и на лошадь.
В последующие годы на многочисленных исследованиях в популяциях лошадей было доказано существование специальных аллелей для различных вариантов мастей (Adalsteinsson, 1974; Sponenberg, 1984).
Примечательно, что при исследовании генетических механизмов формирования окраски волоса– вне зависимости от вида животных –пытались обнаружить связь между окраской и другими признаками (работоспособностью, продуктивностью и поведением) (Keeler, 1942; 1947; 1951). Были обнаружены зависимости между определенными окрасками и наследственными дефектами (Bamber, 1931; Searle, 1952; Bateman, 1954).
Будучи генетически обусловленным фактором, окраска покровного волоса не является биологически индифферентной, поскольку установлено, что многие гены, регулирующие синтез пигмента и образование меланоцитов, имеют плейотропное действие и влияют также на развитие различных клеток (меланоцитов, примордиальных клеток зародыша, эритроцитов, нейронов). Этот факт позволяет говорить о возможности наличия связи между фенотипом по масти и комплексными признаками, например, устойчивостью животных к определенным заболеваниям.
В настоящее время в науке накоплен большой объем данных о соотношении между окраской животного и его продуктивностью. Доказано, что даже частичное отсутствие пигмента на участке тела может приводить к повышенной частоте заболеваний, так лошади с белыми отметинами на ногах чаще страдают от дерматита под щетками («мокрецов»), а серые более других подвержены меланосаркоме и чувствительны к фагопиризму (аллергическим реакциям в виде сыпи по всему корпусу при скармливании гречишной соломы).
У лошадей известно несколько мутаций в локусах, отвечающих за окраску, в гомозиготном состоянии являющихся летальными (“Overo lethal white foal syndrome” – OLWS; “Lethal dominant white”).
Окончательный прорыв в изучении генетики мастей лошади был определен прогрессом в молекулярной биологии. С появлением современных методик анализа генома стало возможным установление генотипа конкретного животного по тому или иному локусу. Начало таким исследованиям у лошади было положено в 1996 году, когда Marklund описали первую мутацию в локусе рыжей масти у лошади. С тех пор разработаны молекулярно-генетические тесты для многих мастей.
Международное сотрудничество в области картографирования генов лошади началось во второй половине 90-х годов. В 1997 году в рамках Программы по изучению генома животных при Департаменте сельского хозяйства США был основан Международный технический комитет по лошадям. Раз в два года проводятся заседания Международного семинара по генному картированию у лошади.
В последние годы изучением наследования мастей и поиском функциональных мутаций у лошадей с использованием современных молекулярно-генетических методов занимаются ученые многих стран мира (США, Швеция, Германия, Швейцария, Франция и др.). Основные исследовательские группы, занимающиеся изучением вопросов генетики мастей:
– Университет Калифорнии, США (Veterinary Genetics Laboratory, School of Veterinary Medicine, University of California, Davis, CA, USA)
– Университет Кентукки, США (Department of Veterinary Science, University of Kentucky, Lexington, KY, USA)
– Исследовательский центр Дежу, Франция (D?partement de G?n?tique animale, Institut national de a recherche agronomique INRA, Centre de Recherche de Jouy, Jouy-en-Josas Cedex, France)
– Университет Упсала, Швеция (Department of Animal Breeding and Genetics, Swedish University of Agricultural Science, Uppsala, Sweden)
– Институт животноводства Университета Цюриха (Institut fuer Tierzucht, Zuerich Universitaet, Schweiz),
– Гумбольдтский университет г. Берлина, ФРГ (Molekularbiologisches Zentrum, LGF Humboldt-Universitaet zu Berlin, BRD), а также другие научные учреждения.
Вновь обнаруживаемые мутации генов, определяющих окраску, позволяют объяснить возникновение и описать генетический код все большего числа мастей лошади. Становится возможным однозначная генетическая характеристика, окончательное определение механизмов наследования и сравнительно точный прогноз мастей у потомства.
2. Пигментообразование
Окраску шерсти и кожи определяет пигмент меланин, синтезируемый в пигментных клетках – меланоцитах. Меланоциты образуются из неврального листа зародыша под контролем рецептора Endothelin B (см. раздел «Оверо»), отвечающего за дифференциацию клеток. За развитие и миграцию меланоцитов отвечает ген КIT (см. разделы Тобиано, Сабино, чалость, чепрачность).
Красящее вещество меланин образуется в виде гранул (меланосом) на эндоплазматическом ретикулуме. Количество синтезируемого пигмента, его вид и способ отложения в волосе контролируются целым рядом генов (соответвственно MATP, МС1R, ASIP и др.).
Меланин имеет две основные формы: черно-коричневый эумеланин и красно-желтый феомеланин. Обе формы синтезируются из заменимой кислоты тирозина (рис. 1). Исходный фермент тирозиназа присутствует в меланоцитах всегда. В небольших количествах оба пигмента синтезируются в зрелых меланоцитах постоянно. Решающим для формирования окраски является соотношение этих пигментов.
При наличии высокой концентрации активизированной формы тирозиназы производится большое количество эумеланина, который «перекрывает» феомеланин. Если активной тирозиназы синтезируется мало, преобладает желтый пигмент, что обуславливает красно-коричневую окраску волоса. Более точно процесс пигментообразования пока не изучен.
Рисунок 1. Синтез пигмента
Эумеланин представляет собой нерастворимый полимер индола и хинона, связанный с протеином, исключительно устойчивый к воздействию химических веществ. Темные волосы являются более устойчивыми к физическим воздействиям, нежели светлые. Эумеланин может быть синтезирован любыми меланоцитами, а меланосомы, его содержащие, могут существенно отличаться друг от друга по насыщенности окраски, форме и размеру.
Феомеланин, напротив, растворим в щелочах, и синтезируется только в меланоцитах корней волос и кожи. Меланосомы, содержащие феомеланин, однообразны по форме, размеру и окраске.
Наряду с типом образующегося пигмента на цвет волоса оказывают влияние структура волоса, морфология пигментных гранул (меланосом), форма меланоцитов, миграция и созревание пигментных клеток, гормоны, окружающие клетки, факторы внешней среды. Зависимость окраски волоса от большого количества факторов в некоторых случаях затрудняет определение масти лошади.
До сих пор ни у одной протестированной лошади не была обнаружена мутация в локусе тирозиназы, связанная с проявлением альбинизма, кроме того, нет ни одной масти, сходной по проявлению с мутациями в данном локусе, обнаруженными у других млекопитающих. Истинных альбиносов (полностью депигментированных животных с красной радужной оболочкой глаз) среди лошадей обнаружено не было. Генотип белых лошадей с розовой кожей и светлыми глазами объясняется действием описанных выше локусов. Случаи красноглазости, несмотря на упоминания в старой иппологической литературе, у лошадей достоверно зафиксированы не были. Таким образом, считается, что альбинизм у лошадей не встречается.
3. Генетические основы формирования мастей
Мастью называют окраску лошади, включающий в себя цвет кожи, глаз и волосяного покрова: защитного волоса (гривы, хвоста и щеток на ногах) и покровного волоса. Существует несколько классификаций мастей: основные и производные; простые (одноцветные) и комбинированные (составные); с зональностью окраски и рисунком – пятнами и полосами различной формы и размера. В пределах каждой масти существуют разные варианты – отмастины.
Масть определяется действием ряда генов, количество которых значительно больше, чем предполагалось раньше, что определяет почти бесчисленное многообразие вариантов окраски мастей лошади. Окраска волоса является количественным признаком, поскольку границы между крайними вариантами отдельных мастей очень условны – размыты.
Отметины – врожденные пятна и полосы различного размера и формы на голове, корпусе и конечностях животного, отличные от основной окраски животного. Отметины на покрытых шерстью участках бывают белыми, белыми с примесью основной окраски, темными, тельного (розового) цвета (на кожном покрове). Генетические основы появления отметин до настоящего момента изучены недостаточно подробно. В настоящее время преобладает мнение, что их наследование в большинстве своем полигенно, т.е. определяются несколькими генами. В ряде случаев, однако, очень сложно отделить отметины от пятен, образование которых обусловлено одним из генов, к примеру, пежин небольшого размера.
Для определения генотипа лошади по многим локусам разработаны генетические тесты, облегчающие определение фактической масти. В таблице 1 дана номенклатура локусов и генов, а также их локализация.
Таблица 1. Номенклатура и положение уже обнаруженных генов, определяющих масть лошади
Попасть в масть
Почему от двух рыжих родителей можно получить только рыжего жеребенка, а от двух гнедых – и вороного, и рыжего, и каракового? Откуда взялся голубоглазый жеребенок-«альбинос» от вороных родителей? Загадки наследования конских мастей уже больше века привлекают внимание ученых. За это время было выдвинуто множество гипотез, но до сих пор общепринятой теории не существует. В нашей стране этим вопросом занимались такие корифеи иппологии, как Н.А.Юрасов, В.О.Витт, Д.А.Кисловский. Изложение теории эпистатического ряда* (правда, не подтвержденной современными данными) можно найти даже в первых, «долысенковских», изданиях «Книги о лошади» под редакцией С.М.Буденного. С тех пор генетическая наука ушла далеко вперед, и в научных лабораториях Европы и США уже изучается молекулярное строение генов, определяющих масти лошади.
Как известно, окраска диких животных имеет приспособительный характер, и в пределах одного вида встречаются лишь небольшие индивидуальные вариации – все лошади Пржевальского саврасой масти, все тарпаны были мышастыми. Это типичный «камуфляж»: корпус песочного (саврасая) или зольного (мышастая) цвета, лучше освещенный «верх» (голова, шея, спина, круп) окрашен ярче, чем «низ», на который падает тень (живот и внутренняя поверхность ног). Эти масти и сегодня распространены среди аборигенных пород: вятской, башкирской, якутской, польских коников, норвежских фиордов.
У домашней лошади необходимость в маскировке отпала. Появились новые масти, к которым человек отнесся с большим интересом, и на место «дикого» единообразия пришла целая «радуга» цветов и оттенков. Откуда она взялась? Как показывают современные исследования, всему виной различные перестройки соответствующих генов, в том числе единичные мутации и выпадения небольших нуклеотидных участков. В результате возникают нарушения в синтезе ферментов, управляющих процессом образования пигментов, и появляются новые оттенки, цвета и типы окраски. Подобные мутации происходят постоянно, только в дикой природе они очень быстро выбраковываются – естественный отбор очень жёсток. Ведь встречается время от времени информация о рождении жеребят с достоверным происхождением, чья масть никак не согласуется с генотипом их родителей. Да вспомните хотя бы знаменитого пегого орловца Холстомера!
Самый главный локус
Для начала разберемся с пигментами. Цвет волосам (не только у лошадей, но и у всех млекопитающих) придает пигмент мелатонин. И всю многоцветную гамму конских мастей, все оттенки и вариации создают всего две его разновидности: черная (эумеланин) и рыжая (феломеланин). Все зависит от концентрации пигмента и его распределения по волосу. А белый цвет – это отсутствие пигмента.
Итак, чтобы получить какой бы то ни было цвет, для начала нужно запустить сам механизм синтеза мелатонина – иначе мы получим животное, совершенно лишенное пигмента, то есть альбиноса. Считается, что процессом синтеза управляет ген, который находится в локусе С (от англ. «colour» – цвет). Важнейшую роль в образовании мелатонина играет фермент тирозиназа. Нарушения в синтезе этого фермента приводят к ослаблению интенсивности окраски. Как в акварельных красках: «развели водой» пигмент – и рыжий превратился в светло-золотистый, а черный – в серый, вплоть до полной утраты пигмента.
Полные альбиносы у лошадей не зарегистрированы, но существуют кони, целиком белые от рождения, с лишенной пигмента розовой кожей. Вот только глаза у таких лошадей не красные, как должно быть у настоящих альбиносов, а темные. Вызывает такую «настоящую белую масть» особый доминантный ген W (от англ. «white» – белый). Крайне редкие случаи рождения таких жеребят зарегистрированы в разных породах, причем от родителей обычных мастей – результат мутаций… Американцы такую мутацию «подхватили» и вывели породу лошадей, белых от рождения, – альбино. Однако при их разведении выявилась одна неприятность: жеребенок, гомозиготный по гену W (то есть получивший ген W от обоих родителей), погибает в утробе матери.
При всех различиях в теориях наследования мастей большинство ученых сходится во мнении, что рыжая, гнедая и вороная масти контролируются генами из двух разных локусов. За способность особых клеток-меланоцитов производить черный пигмент отвечает аллель Е локуса Extension. Точечная рецессивная мутация в этом локусе кодирует дефектный фермент, блокирующий синтез черного эумеланина и запускающий синтез феломеланина. У вороных и гнедых лошадей будут генотипы ЕЕ и Ее, а у рыжих – только ее. Уточнить генотип вороной или гнедой лошади можно, изучив расщепление мастей у потомства: появление рыжих жеребят свидетельствует о гетерозиготном состоянии гена Е у родителей. Впрочем, сегодня появилась возможность не ждать результатов «контрольных» случек: ген Е можно «прочитать» при тестировании ДНК.
Второй локус – «агути» – определяет характер распределения пигментов и зональность пигментации волос. По теории Касла, он представлен серией аллелей: А+ > А > аt > а (аллели расположены в порядке доминирования). При налисчии аллеля Е (и, следовательно, черного пигмента) аллель А+ определяет дикую масть лошади Пржевальского, А – гнедую масть домашней лошади, аt – караковую, аа – вороную. На молекулярном уровне сегодня открыты только два аллеля из этого локуса. Доминантный аллель А, который на несколько нуклеотидов длиннее аллеля а, переключает часть меланоцитов на синтез рыжего феломеланина и распределяет черный пигмент так, что формируется гнедая масть (генотип АА или Аа). Рецессивная мутация аа приводит к утрате способности продуцировать этот пигмент и отложению только эумеланина – в результате получается равномерная черная окраска. По данным М.Политовой, в русской верховой породе преобладает аллель а, и даже у гнедых лошадей практически не встречается генотип АА. Возможно, с помощью типирования ДНК удастся идентифицировать и другие аллели этого локуса. Например, у мыши в локусе «агути» выявлено более ста мутаций, создающих множество оттенков дикой окраски.
Блондирование, мелирование и «брызги шампанского»
А теперь перейдем к светлой гамме. Как из рыжего получить бледно-желтый, а из черного – пепельно-серый? Для этого существует несколько различных генов-осветлителей. Их действие как бы накладывается на картину, создаваемую локусами A и E.
