Один ген определяет аллюры лошадей и движения мышей
Исследователи из Уппсальского университета, Шведского университета сельскохозяйственных наук и их международные коллеги обнаружили мутацию в одном гене у лошадей, которая критически важна для способности выполнять иноходь (амблинг) и имеет большое влияние на результаты в бегах рысью. Эксперименты с этим геном на мышах привели к фундаментально новым знаниям о нейронных цепях, контролирующих движения конечностей. Исследование, опубликованное в Nature, стало прорывом в понимании нейронных цепей спинного мозга и их контроля над локомоцией у позвоночных.
Способность ходить и бегать зависит от сложной координации мышечных сокращений, осуществляемой нейронными цепями в спинном мозге. Исследователи использовали вариативность паттернов движения у лошадей. Естественные аллюры лошадей — шаг, рысь и галоп. Некоторые лошади способны к иноходи и/или pace (разновидность иноходи), например, исландские лошади могут выполнять тельт (амблинг) и летящий pace.
«Мы подозревали сильный генетический компонент, но были почти шокированы, обнаружив, что один ген, DMRT3, в значительной степени объясняет генетическую разницу между лошадьми, способными к pace, и теми, кто не способен», — объясняет Лиза Андерссон.
Независимо от этого, группа Класа Кулландера обнаружила, что ген DMRT3 экспрессируется в ранее неизвестном типе нейронов в спинном мозге мышей. Характеристики этих нейронов указывали на их возможное участие в координации движений. Сравнив данные, обе группы, связанные с Science for Life Laboratory в Уппсале, осознали важность открытия.
Исследователи показали, что однонуклеотидное изменение в DMRT3, приводящее к образованию усечённой формы белка DMRT3, было мутацией, связанной со способностью к pace у лошадей. Они разработали диагностический тест на эту мутацию и обнаружили, что она широко распространена среди пород с альтернативными аллюрами, таких как теннессийская прогулочная лошадь (США) и пасо фино (Южная Америка). Более того, мутация очень распространена у лошадей, выведенных для бегов рысью (рысистых пород).
«Мутация DMRT3 демонстрирует сильную положительную связь с результативностью в бегах рысью», — заявляет Лейф Андерссон.
При увеличении скорости лошадь обычно переходит с рыси на галоп, но для рысаков это ведёт к дисквалификации. «Наша интерпретация такова, что мутация ингибирует переход от рыси к галопу и тем самым позволяет лошади рысить на очень высокой скорости», — объясняет Лейф Андерссон.
Для дальнейшего изучения функции DMRT3 исследователи использовали инструменты нейробиологии мышей. Выяснилось, что DMRT3-нейроны пересекают среднюю линию спинного мозга, соединяя левую и правую стороны, а также имеют прямую связь с мотонейронами, контролирующими мышцы-сгибатели и разгибатели. У мышей-нокаутов, лишённых функционального гена DMRT3, был изменён паттерн движения.
«Без DMRT3 нейронная цепь, способствующая координации конечностей, не формируется нормальным образом», — заявляет аспирант Мартин Лархаммар.
«При рождении эти нейронные цепи находятся в хаотическом состоянии, и мышь не может координировать движения ног, но в конечном итоге другие нейронные цепи, по-видимому, компенсируют потерю DMRT3, так что взрослая мышь снова может двигаться относительно нормально. Эта гибкость интересна, поскольку показывает, что наша нервная система может адаптироваться, несмотря на потерю ключевого гена», — продолжает Клас Кулландер.
Мутация DMRT3 оказала большое влияние на эволюцию домашней лошади и, скорее всего, впервые появилась тысячи лет назад. Вероятно, люди заметили, что у некоторых лошадей был особый паттерн движения, делавший их особенно полезными для определённых целей, например, более плавная езда на иноходцах.
«Открытие мутации DMRT3 — выдающийся пример того, как генетические исследования эволюции домашних животных могут привести к принципиально новым знаниям о функции генов и важных биологических механизмах», — заявляет Лейф Андерссон.
«Белок DMRT3 присутствует у всех позвоночных, по которым есть данные, и вероятно, что DMRT3-нейроны играют центральную роль в координации движений и у человека», — заключает Клас Кулландер.