Как развиваются и развиваются цветовые узоры животных — давний вопрос биологии развития. Исследователь HHMI Хопи Хекстра из Гарвардского университета изучает развитие и эволюцию полосатого рисунка у диких мышей, поскольку эти полосы могут играть важную роль, помогая мышам убегать от хищников. Кроме того, дикие мыши тесно связаны с лабораторными мышами, для которых доступны различные генетические и геномные инструменты. «Мы работаем над немодельным организмом, который тесно связан с моделью, поэтому мы можем получить лучшее из обоих миров», — пояснил Хекстра.
Чтобы исследовать, как у африканской полосатой мыши появились полосы, Рикардо Малларино, научный сотрудник лаборатории Хекстры, сначала изучил, как полосы образуются во время эмбриогенеза мыши. Он обнаружил, что клетки кожи, вырабатывающие пигмент, называемые меланоцитами, не могут дифференцироваться в областях, соответствующих расположению светлой полосы. Меланоциты, которые не могут дифференцироваться, не могут производить пигмент, что приводит к светлому окрашиванию волос.Чтобы выяснить, какие гены задействованы, Малларино и его коллеги использовали секвенирование РНК, чтобы измерить все гены, которые были активированы в коже в светлой полосе, по сравнению с генами в коже, на которой росли более темные волосы.
Команда определила ген под названием Alx3, который сильно выражался в светлой полосе, но не в темных областях. Когда они сравнили экспрессию Alx3 у африканской полосатой мыши и у обычной лабораторной мыши, они обнаружили, что все мыши экспрессируют Alx3 на животе, но африканская полосатая мышь также экспрессирует Alx3 в виде полосатого рисунка на спине. «Похоже, что произошло то, что Alx3 был заимствован из своей роли в создании светлых животов, и теперь ясно видно, где будет формироваться полоса», — пояснил Хоэкстра.
Раньше ген не участвовал в пигментации, поэтому исследователи не были уверены, как ген влияет на цвет волос мышей. Чтобы выяснить это, исследователи провели анализ связывания белка с ДНК, чтобы определить участки ДНК, с которыми может связываться белок ALX3. Они обнаружили, что ALX3, фактор транскрипции, связывается с промотором и репрессирует MITF, известный регулятор дифференцировки меланоцитов.Для дальнейшего изучения функции гена исследователи чрезмерно и недостаточно экспрессировали его у лабораторных мышей и в культуре клеток соответственно.
С помощью инъекций под контролем ультразвука исследователи ввели лентивирус, несущий ген Alx3, беременным мышам. Вирус проник в развивающиеся эмбрионы, где он сверхэкспрессировал Alx3 в меланоцитах.
У этих эмбрионов меланоциты не смогли дифференцироваться, что привело к снижению синтеза пигмента. Напротив, в клетках, где Alx3 был сбит с помощью небольших шпилечных РНК, исследователи обнаружили, что синтез меланина увеличился, что привело к увеличению производства пигментов.Чтобы увидеть, является ли этот недавно открытый механизм, контролирующий цвет волос мыши, общим явлением, исследователи обратились к североамериканскому бурундуку, у которого есть похожие полосы и который эволюционно отделен от африканской полосатой мыши на 70 миллионов лет.
Анализ биоптатов кожи бурундуков показал сходный паттерн экспрессии Alx3. «Один и тот же механизм неоднократно развивался в двух линиях с одной и той же целью», — пояснил Малларино.Заглядывая вперед, исследователи хотели бы понять, что контролирует, где экспрессируется Alx3, и могут ли вариации во времени и местоположении экспрессии Alx3 объяснить эволюцию новых цветовых паттернов в природе. «Следующий шаг — выяснить, что управляет выражением Alx3», — сказал Малларино. «Можете ли вы просто повозиться с тем, где и когда выражается Alx3, чтобы создать разнообразие полосатых узоров?
Мы не знаем ответа, но это то, что нас очень волнует», — добавил Хекстра.