Иногда кажется, что ген-кандидат найден, и он явно влияет на определенную особенность организма, но после тщательной проверки оказывается, что его эффекты в конкретном случае практически нулевые. Например, так произошло с геном фактора роста фибробластов 5 (FGF5, рис. 38). Этот белок играет важную роль в регуляции пролиферации и дифференцировки клеток у человека и животных. Он обеспечивает нормальный цикл роста волос и способствует переходу от анагена (фазы роста волосяного фолликула) к катагену (фазе регрессии, вызванной апоптозом)[688]. Известно, что некоторые мутации в гене FGF5 приводят к появлению рецессивных фенотипов с большой длиной волос у мышей, собак и кошек. Также изменения в этом гене приводят к изменению длины волос у кроликов. У людей мутации в FGF5 ведут к трихомегалии – врожденному заболеванию, при котором ресницы имеют аномально большую длину: 12 мм в центральной части и 8 мм в периферийной[689].
Ученые предположили, что особенности строения гена FGF5 могли повлиять на различия в длине шерсти у мамонтов и слонов. В 2009 году были опубликованы результаты исследования, во время которого специалисты провели секвенирование трех экзонов (последовательностей, кодирующих белок) и части промотора (участок, который запускает считывание генетической информации) гена FGF5 у азиатских слонов, африканских слонов и шерстистого мамонта. Авторов работы ждало разочарование: различия в структуре гена оказались незначительными – были обнаружены всего две замены оснований («букв» генетического кода), и они не влияли на структуру белка. Первая замена обнаружилась в промоторе, но она не делала ген неактивным, он по-прежнему продолжал экспрессироваться. Вторая замена находилась в третьем экзоне: азотистое основание гуанин у мамонта было заменено на аденин, однако это «молчащая» мутация – из-за нее не изменилась последовательность аминокислот. Таким образом, обнаружилось, что белок FGF5 работал у мамонтов так же, как и у слонов, ограничивая рост шерсти[690].
В качестве другого кандидата в этом исследовании был рассмотрен ген KRTHAP1 – псевдоген кератина волос типа I. Кератин – очень прочный белок, он входит в состав волос, а нормально функционирующий ген KRTHAP1 способствует развитию густого волосяного покрова на теле. У человека это псевдоген: в результате мутации он больше не кодирует белок. В седьмом экзоне человеческого KRTHAP1 находится стоп-кодон – последовательность из трех оснований, которая останавливает синтез белка, и поэтому данный белок отсутствует в волосяных фолликулах. Однако у наших ближайших родственников обезьян этот ген работает. У слонов, как и у людей, KRTHAP1 – это псевдоген, поэтому ученые предположили, что у мамонтов он может оказаться рабочим, но анализ показал, что это не так. У слонов стоп-кодон находится в первом экзоне гена, делая его нерабочим, и у мамонтов эта особенность тоже присутствует. Исследование других генов кератина, таких как KRT25, KRT27 и KRT83, тоже показало, что в них имеются лишь небольшие различия, и, видимо, не они делают мамонтов покрытыми шерстью, а слонов – голыми[691].
Спустя несколько лет больше интересной информации удалось найти исследовательской группе, в которую входили ученые из Университета штата Пенсильвания (США), Наньянского технологического университета (Сингапур) и Чикагского университета (США). Ученые секвенировали геномы двух шерстистых мамонтов, умерших 20 и 60 тысяч лет назад, а также трех азиатских слонов. Чтобы не допустить ошибок, каждая «буква» генетического кода мамонтов в среднем была прочитана 20 раз, причем мамонты относились к двум ответвлениям: кладам I и II, которые, по оценкам экспертов, разошлись примерно на 1,5 миллиона лет.
Анализ геномов трех видов животных показал 33 миллиона мест, в которых имеются различия. Наиболее интересными оказались 1,4 миллиона генетических вариантов, которые присутствовали у мамонтов, но отсутствовали у слонов. Среди них было обнаружено 2020 вариантов, которые привели к изменениям в аминокислотной последовательности 1642 белков и потере функции 26 генов. И тут исследователям открылась целая сокровищница: удалось обнаружить уникальные гены мамонтов, связанные с регуляцией циркадных ритмов, обменом липидов, развитием и физиологией кожи, волос, жировой ткани, терморегуляцией и чувствительностью к низким температурам.
Удалось идентифицировать 38 генов, связанных с особенностями шерсти мамонтов, и среди них 8 генов, влияющих на ее цвет. На многих картинках этих животных изображают с коричневой или рыжеватой шерстью, но на самом деле она могла иметь разную окраску. Еще в 2006 году ученым удалось расшифровать полную последовательность гена мамонтов, кодирующего рецептор меланокортина типа 1 (Mc1r, рис. 39). Этот белок запускает сложный каскад биохимических реакций, результатом которого становится образование темного пигмента – коричневого или черного эумеланина. Если же Mc1r не работает должным образом, то вырабатывается красный или желтый феомеланин. У мамонтов было обнаружено два варианта гена Mc1r: один кодирует белок с нормальной функцией, а активность второго сильно снижена. Таким образом, окраска шерсти мамонтов могла быть очень разной: среди них, вероятно, были блондины, брюнеты и шатены. Вариации в других генах могли вносить еще больше разнообразия[692][693][694].
Рисунок 39. Когда-то по Земле могли бродить вот такие «разношерстные» мамонты.
Ученые обнаружили, что специфические для мамонтов гены, связанные с особенностью шерстяного покрова, активно экспрессировались в разных частях волосяных фолликулов, а также в клетках кожи.
Особое внимание исследователей привлек ген TRPV3 (рис. 40). Белок, который он кодирует, встроен в клеточную мембрану и относится к семейству неселективных катионных каналов. TRPV3 особенно активно экспрессируется в клетках кожи (кератиноцитах) и головном мозге. В коже он помогает чувствовать высокую температуру, не представляющую опасности. Например, если вывести генетически модифицированных мышей без белка TRPV3, то они по-прежнему смогут чувствовать смертельно опасный холод и жар, но не смогут ощущать повышенную температуру более плюс 33 °C. Кроме того, TRPV3 регулирует рост волос через сигнальные пути трансформирующего фактора роста α (TGF-α) и рецептора эпидермального фактора роста (EGFR). Именно это и заинтересовало ученых: им захотелось разобраться, есть ли различия в генах TRPV3 у слонов и шерстистого мамонта, и если они есть, то могут эти различия влиять на особенности волосяного покрова[695].
Рисунок 40. Структура белка TRPV3[696].
Оказалось, что у мамонтов в белке, кодируемом геном TRPV3, присутствовала специфическая аминокислотная замена, которая обозначается как N647D, и это повлияло на функцию одноименного белка. У мамонтов, по сравнению с их предком, давшим начало им самим и азиатским слонам, белок TRPV3 менее активен, хотя тоже способен реагировать на повышенные температуры. Он на 20 % хуже отвечает на повышение температуры до плюс 43 °C. Учитывая влияние того же белка на длину шерсти, это очень интересное открытие. Например, если сделать ген TRPV3 более активным у мышей, то у них медленнее удлиняются стержни волос и рано происходит регрессия волосяных фолликулов, в то же время у грызунов с неактивным геном вырастают вьющиеся усы и длинная волнистая шерсть[697].
Жир под шубой
Густая шерсть – хорошая защита от холода, но еще лучше, когда под кожей есть внушительная прослойка жира. У мамонтов она, несомненно, присутствовала.
В 2015 году в геноме мамонтов удалось идентифицировать 54 фиксированные аминокислотные замены, которые влияют на жировую ткань, включая объем и локализацию отложений белого и бурого жира.
• LEPR – ген, кодирующий белок-рецептор гормона лептина (этот белок также обозначается как LEP-R, OB-R и CD295). Гормон лептин воздействует на гипоталамус и влияет на аппетит и расходование энергии, а также способствует уменьшению массы тела.
• Ген DLK1 кодирует белок под названием гомолог протеина дельта 1. Он подавляет трансформацию преадипоцитов (предшественников жировых клеток) в адипоциты (собственно зрелые жировые клетки). Когда у мышей инактивируют этот ген, у них увеличиваются отложения жировой ткани, а когда он активен, отмечается обратный эффект.
• GHR – ген, кодирующий белок-рецептор соматотропного гормона роста. Этот гормон усиливает анаболизм и подавляет катаболизм, то есть он заставляет организм синтезировать новые вещества, в первую очередь белки, и предотвращает их разрушение. В то же время под действием соматостатина уменьшается отложение подкожного жира и усиливается его сжигание.
• Ген CRH кодирует гормон гипоталамуса кортиколиберин (кортикотропин-рилизинг гормон). Он активирует переднюю долю гипофиза, которая вырабатывает гормоны, регулирующие различные процессы в организме, в том числе способствуют ухудшению аппетита и разрушению жиров.
Гены из этого списка, будучи активны, уменьшают объем жировых отложений. Но у мамонтов были обнаружены изменения в этих генах, которые снижали их активность, – это способствовало увеличению жировых отложений и адаптации к холоду. Кроме того, ученые обнаружили особенности в 39 генах, влияющих на эффекты инсулина, а также связанных с высокой активностью этого гормона в крови, инсулинорезистентностью и снижением толерантности к глюкозе