CC BY
174
ОБЗОРЫ
© ЛАРКИН Д.М., ЮДИН Н.С., 2016 УДК 575.17.015.3:636.01].08
Ларкин Д.М.12, Юдин Н.С.13
значимость геномных исследований для понимания истории формирования домашних животных
'ФГБНУ Федеральный исследовательский центр «Институт цитологии и генетики» Сибирского отделения Российской академии наук, 630090, Новосибирск, Россия; 2Королевский ветеринарный колледж, Лондонский университет, М^ 0Ти, Лондон, Великобритания; 3ФГАОУВО «Новосибирский национальный исследовательский государственный университет», 630090, Новосибирск, Россия
В обзоре рассмотрено, как геномные исследования млекопитающих, проводимые в современной генетике, способствуют определению генов и полиморфизмов (мутаций), связанных с важными для человека признаками домашних (сельскохозяйственных) животных. Приводятся примеры того, как генетический анализ позволил определить ключевые гены, связанные с качеством и количеством молока у крупного рогатого скота, а также выявить гены, важные для продуктивности в мясном животноводстве. Обсуждается применение современных методов расшифровки геномов, позволяющих увеличить эффективность определения генных и регуляторных полиморфизмов ДНК в геномах домашних животных, а также история формирования основных видов домашних животных (крупного рогатого скота, овец и свиней) с точки зрения генетики.
Ключевые слова: геном, домашние животные, селекция, овца КРС, свинья.
DOI 10.18821/0208-0613-2016-34-4-123-128
Структура генома
В геномах млекопитающих до 40% ДНК составляют простые повторы нуклеотидных последовательностей ДНК и ретротранспозоны, а также SINE и LINE элементы, которые в большей своей части не кодируют белки (рис. 1). Из 30% ДНК, приходящейся на гены, только 2% — это кодирующая ДНК (экзоны). ДНК гетерохроматина, сегментно-повторенные последовательности и уникальные некодирующие последовательности ДНК составляют дополнительные 30% генома. Изменчивость последовательностей ДНК в геноме в результате ошибок репликации и других процессов является основой для естественного (в ходе эволюции) или искусственного (сельское хозяйство, разведение домашних животных) отбора.
Главные источники вариабельности ДНК в геномах включают: а) изменения нуклеотидов внутри генов (в результате ошибок репликации). Они могут привести к изменениям в белке, если меняется кодируемая аминокислота, либо к регуляторным модификациям, если затрагиваются регуляторные части гена. Следует отметить, что многие точечные мутации не приводят к изменению аминокислот, т. е. являются нейтральными и не оказывают очевидного влияния на белок. Влиять на структуру или регуляцию гена также могут: б) вставки транспозонов как внутри, так и около генов; в) сегментные дупликации ДНК и опосредованные ими хромосомные перестройки, которые оказывают более «мягкое» влияние, изменяя положение гена/генов в хромосоме и,
тем самым, влияя на их регуляцию. Сегментные дупликации, кроме того, могут привести к увеличению количества копий, если дуплицируются ген(ы) и, как следствие, к повышению уровня экспрессии их мРНК.
Традиционные подходы для поиска генов, влияющих на экономически важные признаки домашних животных, используют достаточно высокую вероятность того, что ген, контролирующий признак у одного вида (например, человека), обладает сходной функцией и у других видов животных и будет контролировать похожий признак. Примерно 12 000 генов в геномах плацентарных млекопитающих представлены единственной копией у большинства других видов плацентарных; т. е. один ген, например, у мыши, будет соответствовать единственному гену со схожей структурой и функцией у человека, коровы и овцы. Около 4000 генов представлены множественными копиями у разных видов животных. Около 500 или более генов являются уникальными для каждого вида [1].
Наличие гомологичных генов со схожей функцией у млекопитающих позволяет использовать информацию о функциях генов у хорошо аннотированных видов (таких как человек и мышь) для поиска «генов-кандидатов», выполняющих подобную функцию в геномах животных, не обладающих столь детальной аннотацией; таких как геномы домашних и сельскохозяйственных животных.
Гены и мутации, влияющие на экономически-важные признаки домашних животных
Принцип метода поиска генов-кандидатов представлен на рис. 2. С помощью методов генетического картирования устанавливается, что определенный хромосомный локус контролирует важный признак сельскохозяйственного животного. Используя методы сравнительного картирования геномов, можно найти гомологичные районы хромосом человека или мыши, соответствующие этому локусу. Те гены, которые находятся у человека или мыши в этих гомологичных районах, анализируются на предмет выполнения функции, схожей с той, что необходимо картировать у животного. Гены, контролирующие сходные признаки у человека или мыши, клонируют и секвенируют уже у сельскохозяйственного животного, затем определяются нуклеотидные замены (мутации) внутри этих генов в популяции животных, проводится ассоциативный анализ, который выявляет связь (или отсутствие связи) между фенотипом животного и конкрет-
Для корреспонденции: Ларкин Денис Михайлович (Larkin Denis Mikhailovich), e-mail: [email protected]
Примечание. Сокращенные обозначения генов приведены согласно принятой международной номенклатуре, где гены домашних животных так же, как и гены человека, обозначаются курсивом и только заглавными буквами, а гены грызунов — тоже курсивом, но заглавной является только первая буква.
DNA transposons 3%
Simple sequence repeats 3%
Segmental duplications
LTR retro-transposons 8%
SINEs 13%
пар нуклеотидов
Связь между хромосомами и экономически важными признаками крупного рогатого скота
Misc. heterochromatin
Misc. unique sequences 12%
LINES
20%
Protein-coding genes 2%
1п1гопз 26%
Рис. 1. Состав-ДНК последовательностей разного типа в геноме человека. (http://c0mm0ns.wikimedia.0rg/wiki/File:C0mp0nents_ of_the_Human_Genome.jpg).
ными нуклеотидными заменами. Если такая ассоциация наблюдается, то ген, влияющий на конкретный признак в геноме животного, был определен верно. Очевидно, что этот подход обладает рядом недостатков, а именно: а) он «работает» только для генов со сходными функциями у различных видов; б) как правило, мутации в регу-ляторных районах генов этим методом не определяются, поскольку они могут находиться за пределами клонированного района. Тем не менее с помощью поиска генов-кандидатов были определены такие важные гены, как, например, ген, влияющий на увеличение мышечной массы у крупного рогатого скота (КРС) [2]. На генетической карте коровы этот признак находится в одном из локусов хромосомы 2. Этот район соответствует району 2q31-22 в геноме человека, который среди прочих содержит ген МБТИ. Выключение ЫзЫ в геноме мыши значительно увеличивает мышечную массу. В результате MSTN был выбран в качестве «гена-кандидата». В результате сек-венирования гена МБТИ у КРС были найдены мутации, сегрегирующие с увеличением мышечной массы.
В случаях, когда признак формируется за счет многих генов, ситуация становится гораздо сложнее, поскольку часто вклад каждого из этих генов в фенотип совсем небольшой, и чаще всего нельзя найти одну-две мутации, которые достаточно сильно меняли бы фенотип в нужном направлении. Как видно из таблицы, большинство важных признаков сельскохозяйственных животных как раз и являются «количественными» признаками.
Примером удачного определения мутации, оказывающей значительное влияние на экономически важный количественный признак через поиск генов-кандидатов, было обнаружение гена и мутаций в нем, оказывающих влияние на жирность молока у КРС. Картированный среди прочих хромосом в центромерный район хромосомы 14 коровы [3] ген, влияющий на этот полигенный признак, оказался в районе гомологии с хромосомным районом генома мыши, содержащим ген Dgat1. Нокаут Dgat1 у мышей приводит к проблемам с лактацией. После клонирования и секвенирования гомологичного гена КРС было найдено несколько мутаций и показано их влияние на жирность молока у нескольких пород.
Дальнейший прогресс в определении генов и мутаций, связанных с важными признаками животных, стал возможен с появлением методов недорогого высокопроизводительного секвенирования ДНК. Теперь стало возможным вовлекать в анализ не только кодирующие участки генов, но и регуляторные районы, а также интроны.
Признак
Хромосома
Молоко Каркас
Фертильность
Устойчивость к болезням Другие
1, 2, 3, 5, б, 7, 10, 13, 14, 15, 17, 19, 20, 23, 27, 29 2, 5, б, 7, 13, 14, 15, 19, 23, 27, 29 5, б, 7, 19 1, 2, 13, 23 2, 4, 5, б, 14, 23
Наглядным примером эффективности полногеномного анализа может являться нахождение мутации, связанной с появлением ранней седины у лошадей [4]. Белая окраска лошадей имеет эстетическую ценность для человека. Эта окраска является результатом развития ранней седины у некоторых особей лошадей в результате рецессивной мутации. Определение конкретной мутации привело бы к созданию генетических маркеров для анализа популяции и раннему выявлению ценных носителей. Мутация была картирована в районе генома лошади, содержащей гены Ж4А3, TXNDC4, INVS, STX17. Метод поиска «генов-кандидатов» результата не дал. Однако высокопроизводительное секвенирование всего района у белых лошадей и лошадей обычных типов окраски выявило дупликацию в интроне гена STX17, играющую регуляторную роль, которая присутствовала в геномах всех белых и отсутствовала у всех неседеющих особей.
Как показано выше, методы генетического анализа позволяют выявлять индивидуальные гены и мутации, оказывающие нужное влияние на ряд важных признаков домашних животных. Однако очень часто на признаки оказывают влияние множество генов, причем каждый лишь в небольшой степени. В таком случае нужны подходы, позволяющие одновременно находить районы хромосом, гены и мутации в них, которые в совокупности оказывают нужное воздействие на фенотипы в конкретной популяции.
Нами разработан один из вариантов такого подхода, который позволяет одновременно выявлять районы, подверженные селекции и мутации в них, если популяция берет начало от ограниченного числа основателей и генетический материал основателей доступен наряду с материалом нескольких поколений их потомков, на которых действо-
Рис. 2. Принцип генетического анализа с помощью поиска «генов-кандидатов».
После локализации определенного признака в район генетической карты вида А (например, сельскохозяйственного животного) создается сравнительная карта этого вида и геномов человека и/или мыши. Определяются гены, находящиеся в гомологичных районах геномов человека и/или мыши, выполняющие функции, схожие с искомым геном. Затем эти гены клонируются у вида А, и осуществляется поиск полиморфизмов, сегрегирующих с искомым фенотипом.
вал интенсивный отбор. Таким условиям удовлетворяет американская популяция КРС голштинской породы. Мы секвенировали геномы двух основателей этой популяции и проследили частоты их аллелей на протяжении 7 поколений прямых потомков. Ожидалось, что популяционная частота «благоприятных» аллелей будет постепенно увеличиваться в тех районах генома, на который действует отбор [5]. Два секвенированных генома принадлежали родственным быкам: Валквэй Чиф Марку, который родился в 1978 г., и Поней Фарм Арлинда Чифу, который родился в 1968 г. Чиф отец Марка. Данные родословных показывают, что 12% аллелей в популяции современных американских гол-штинов присутствовали в геноме Чифа. Отсеквенировав геномы Марка и Чифа, мы не только выявили множество нуклеотидных замен, но и смогли восстановить гаплотипы хромосом Чифа. Мы отследили судьбу гаплотипов Чифа в популяции более 200 его потомков с помощью генотипи-рования более 50 000 полиморфных маркеров. Затем были выявлены те аллели и гаплотипы, частота которых в популяции оказалась значительно выше ожидаемой в результате моделирования процесса случайного скрещивания. Такие аллели/гаплотипы распределились по 49 районам хромосом КРС, представляя собой наиболее вероятные районы генома, на которые воздействовал искусственный отбор в популяции американских голштинов на протяжении последних 40 лет.
После того, как мы рассмотрели возможность применения методов генетического анализа для определения генов и мутаций, представляющих интерес для искусственного отбора благодаря их влиянию на экономически, социально или эстетически важные признаки домашних животных, мы перейдем к тому, какое влияние доместикация и искусственный отбор оказали на геномы доместицированных животных.
История происхождения и селекция крупного рогатого скота
В мире насчитывается более 1000 пород КРС. Эти породы происходят от безгорбого (Bos taurus taurus) и горбатого (Bos taurus indicus) КРС. Геномы этих подвидов не имеют существенных различий за исключением митохондриальной ДНК и хромосомы Y, однако породы, произошедшие от Bos taurus taurus, лучше приспособлены к умеренному и холодному, а от Bos taurus indicus — к жаркому климату. Доместикация КРС человеком произошла примерно 8000—10 000 лет назад в результате по крайней мере двух независимых событий.
Как показал структурный генетический анализ геномов 134 пород КРС, собранных по всему миру, в Северной и Южной Америке, Азии и Африке безгорбый и горбатый скот скрещивали для получения гибридов, наиболее адаптированных к местному климату и условиям разведения [6]. История азиатского скота включает доместикацию и смешивание с несколькими дикими видами. Африканский безгорбый скот возник посредством интродукции безгорбого скота из Передней Азии и его последующей гибридизации с диким африканским туром, которая, по-видимому, сделала гибриды устойчивыми к трипаносомозу, передаваемому мухами цеце. Генетический след африканского безгорбого скота четко прослеживается в породах, разводимых в странах Средиземноморья. Отсутствие генетического материала горбатого скота у большинства европейских пород без-горбого скота наряду с его присутствием у некоторых итальянских пород свидетельствует по крайней мере о двух волнах миграции скота в Европу. Первая волна — с Ближнего Востока, вызванная римлянами, включает безгорбый скот, ранее уже скрещенный с горбатым.
Вторая волна — из Западной Африки в Испанию, без интрогрессии горбатого скота. Распространение второй волны из Испании в страны Средиземноморья привело к вкладу генетического материала африканского безгор-бого скота в европейские породы.
Доместикация КРС, вероятно, потребовала отбора спокойных животных небольших размеров, которые могли сопротивляться многочисленным паразитам и адаптироваться к созданным человеком условиям среды. Соответственно следы отбора в геноме КРС были найдены в генах, которые связаны с поведением, иммунной системой и эффективностью переработки кормов [7]. Например, один из районов ДНК со следами селекции содержит ген R3HDM1, ассоциированный с эффективной конверсией корма и содержанием внутримышечного жира. Не исключено, что у КРС мутации в районе гена R3HDM1 также могли влиять и на скорость энергетического обмена.
Среди прочих следы направленного отбора были обнаружены в хромосомах 2, 6 и 14. В частности, у мясных пород отбору подвергался участок вблизи гена миоста-тина MSTN на хромосоме 2, который уже упоминался. У большинства молочных пород произошла фиксация мутации в гене ABCG2 на хромосоме 6, которая влияет на концентрацию жира и белка в молоке [8]. На хромосоме 14 мутации в гене тироглобулина TG ассоциированы со специфическим распределением внутримышечного жира («мраморное мясо») [9].
История происхождения и селекция домашних овец
В отличие от КРС доместикация овец (Ovis aires) произошла лишь однажды, примерно 11 000 лет назад. Насчитывается огромное количество пород овец, многие из которых различаются как фенотипически, так и генетически лишь незначительно, что затрудняет их классификацию. Генетический анализ 74 пород овец, собранных по всему миру [10], показал, что большинство пород овец действительно характеризуются высоким эффективным размером популяции, что предполагает широкое генетическое разнообразие, неутраченное при доместикации, и не слишком интенсивную селекцию при формировании пород. Этот факт сильно отличает генетику современных пород овец от пород КРС, у которых эффект основателя ярко выражен для абсолютного большинства пород. По-видимому, при выведении современных пород овец либо происходил интенсивный обмен генетическим материалом, либо современные породы — это обширные части предковой популяции, мигрировавшей вместе с людьми и адаптировавшейся к определенной среде обитания.
Структурный анализ и анализ главных компонент показал, что европейские породы овец отличаются от африканских и азиатских пород. Кроме того, африканские породы оказали влияние на формирование карибских и южноамериканских пород, что, по-видимому, связано с путями работорговли из Африки на американский континент. Интересно, что примитивные породы овец, обитающие на изолированных островах возле берегов Шотландии, генетически отличаются от остальных исследованных пород. Сравнение генотипов основных пород овец предполагает историческую миграцию из Юго-Западной Азии в Средиземноморье и через Центральную Европу на британские острова и в Скандинавию.
Более детальное исследование местных пород необходимо для выяснения особенностей их происхождения и выявления локальных путей миграции. Так, с помощью полногеномного генотипирования нами была проведена реконструкция истории формирования 18 валлийских пород овец Великобритании [11]. Как и следовало ожидать,
Рис 3. Филогения 18 местных валлийских пород овец. На филогенетическом древе валлийские породы обозначены числами 1,2,4-10,15-23, континентальные европейские породы — числами 3, 25, австралийские и новозеландские породы — числами 26,28,30, шотландские — 11-14,27, ирландские — 24. Номера соответствуют кластерам отдельных пород, а жирным выделены номера пород, изображенных на рисунке (из [11]).
местные овцы имеют генетическое сходство с породами континентальной Европы, Америки и Австралии, что отражает обмен животными-производителями между этими регионами (рис. 3). Валлийские породы имеют высокий уровень родства с породами Франции, Испании, Португалии и Италии, что, по-видимому, связано с миграцией людей и животных через Ла-Манш до и во времена Римской империи. Одна из небольших (по размеру) пород оказалась близка к старой норвежской породе спаелсау (Spaelsau), что скорее всего отражает перевоз животных из Скандинавии в Уэльс во времена завоеваний викингов.
Несмотря на общее генетическое разнообразие, сканирование геномов овец выявило множественные районы со следами селекции, которые содержат гены, контролирующие окраску, морфологию скелета, размер тела, рост и репродуктивные функции [10]. Сильный сигнал приходится на ген RXFP2, который контролирует массу костей и скорость полового созревания. Варианты этого гена отличаются у рогатых и безрогих пород. Вероятно, селекция по этому гену способствовала формированию безрогих пород (рис. 4). Следы селекции были обнаружены в генах MITF и KIT, которые контролируют окраску шерсти у многих видов млекопитающих. Примером породоспецифической селекции может служить упоминавшийся выше ген мио-статина MSTN у мясных овец породы тексель.
История происхождения и селекция домашних свиней
Полногеномное секвенирование домашних свиней (Sus scrofa domestica) и диких кабанов показало, что предок домашней свиньи возник несколько миллионов лет назад в Юго-Восточной Азии и потом расселился по всей террито-
рии Евразии [12]. Филогенетический анализ выявил явное различие между свиньями европейских и азиатских пород, что говорит в пользу гипотезы, что свинья была доместицирована независимо в нескольких местах Евразии (Анатолия, Китай, Индия и др.)
[13].
Считается, что процесс доместикации большинства видов охватывал лишь небольшое число животных-основателей, прошедших через «бутылочное горлышко» и проходил в условиях репродуктивной изоляции между дикими и одомашненными животными. Однако анализ полногеномных последовательностей домашних свиней и диких кабанов Европы и Азии показал, что такая традиционная модель доместикации оказалась неприемлемой по отношению к домашней свинье [14]. По-видимому, даже в период одомашнивания свиньи продолжали достаточно свободно скрещиваться с дикими сородичами. Поэтому генетическое разнообразие современных и древних популяций свиней наиболее полно описываются моделью, включающей постоянный поток генов от диких кабанов к доместицирован-ным свиньям. Причем на территории Европы этот поток включал вторую, вероятно, исчезнувшую популяцию диких кабанов, которая существенно отличалась от первой, послужившей источником для доместикации. Давление искусственного отбора по поведенческим и морфологическим признакам, более свойственным домашним свиньям, по-видимому, противодействовало гомогенизирующему эффекту получения генов от диких кабанов.
Для понимания молекулярных механизмов доместика-
Рис. 4. Различие по частоте аллелей нуклеотидного полиморфизма в районе гена RXFP2 у рогатых и безрогих пород овец. По оси абсцисс указаны координаты нуклеотидных полиморфизмов, генотипированные у рогатых и безрогих овец, в хромосоме 10. По оси ординат показано значение статистики БЗТ между двумя типами пород по каждому полиморфизму. Наибольшее различие наблюдается в районе гена RXFP2 (из [10] с модификациями).
ции свиней необходимо отделить фенотипические изменения, которые происходили на ранних этапах доместикации, от более поздних изменений, которые происходили на этапе формирования и селекции отдельных пород. Современные методы полногеномного секвенирования ДНК позволяют детально исследовать этот вопрос. Сравнение полных геномов европейских диких кабанов и домашних свиней выявило 3 гена: NR6A1, PLAG1 и LCORL, подвергавшихся действию отбора, которые связаны с наиболее характерными признаками домашней свиньи — увеличением длины тела и числа позвонков. Дупликации в гене KIT оказались характерными только для свиней с белой окраской [15]. Полногеномное генотипирование на чипе, содержащем более 60 000 одиночных нуклео-тидных полиморфизмов, показало, что наибольшее число различий между геномами домашних свиней и диких кабанов наблюдается в одном из локусов хромосомы 7. В этом районе у свиньи локализованы гены CDKN1A и PPARD, которые, вероятно, контролируют распределение жира и форму ушей соответственно [16]. Нуклеотидная последовательность гена Н19, контролирующего образование длинной некодирующей РНК, которая регулирует развитие мышечных клеток, существенно различается как между дикими и домашними свиньями, так и между животными разных пород [17]. При этом различный профиль метилирования привел к противоположным изменениям экспрессии этого гена у доместицированных европейских и китайских свиней.
Ряд исследователей выявили следы отбора, характерные для отдельных пород. Так, исследование полных геномов свиней беркширской породы выявило ряд генов, подвергавшихся направленному отбору, которые связаны с регуляцией липидного метаболизма, распределением внутримышечного жира и типом мышечных волокон [18]. Анализ полногеномных последовательностей ландрасов и свиней йоркширской породы показал, что у этих двух пород отбору подвергались различные гены и биохимические пути [19].
Заключение
На протяжении тысячелетий домашние животные обеспечивали человека богатой белком пищей и материалами для одежды, жилища и т. д. Геномы животных менялись, будучи адаптированными к растущим нуждам людей и к изменяющимся условиям внешней среды. В результате были выведены несколько высокопроизводительных и специализированных пород, обладающих выдающимися качествами, будучи помещенными в правильные условия. С другой стороны, локальные породы, хоть и не столь производительные, обладают лучшей адаптацией к местным условиям и несут в своем геноме следы миграции и истории их формирования. Параллельное изучение геномов человека и домашних животных, таким образом, необходимо для понимания нашей истории и выявления следов уникальных генетических адаптаций к местным условиям. В Российской Федерации насчитывается около 20 местных пород КРС, 40 пород овец и 10 пород свиней. Наряду с изучением российских геномов (людей) [20], изучение геномов местных российских пород раскроет историю миграции народов на территорию Российской Федерации, позволит выявить следы параллельной адаптации к местным условиям (климат, болезни) и, не в последнюю очередь, позволит сформировать породы будущего поколения, наиболее производительные и адаптированные к местным условиям.
Финансирование. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-1400090).
ЛИТЕРАТУРА
1. Elsik C.G., Tellam R.L., Worley K.C., Gibbs R.A. et al. The genome sequence of taurine cattle: a window to ruminant biology and evolution. Science. _2009; 324(5926): 522—8.
2. Grobet L., Martin L.J., Poncelet D., Pirottin D. et al. A deletion in the bovine myostatin gene_causes the double-muscled phenotype in cattle. Nat. Genet. 1997; 17(1): 71—4.
3. Grisart B., Coppieters W., Farnir F., Karim L. et al. Positional candidate cloning of a QTL in dairy cattle: identification of a missense mutation in the bovine DGAT1 gene with major effect on milk yield and composition. Genome Res. 2002; 12(2): 222—31.
4 Rosengren Pielberg G., Golovko A., Sundstrom E., Curik I. et al. A cis-acting regulatory mutation causes premature hair graying and susceptibility to melanoma in the horse. Nat. Genet. 2008; 40(8): 1004—9.
5. Larkin D.M., Daetwyler H.D., Hernandez A.G., Wright C.L. et al. Whole-genome resequencing of two elite sires for the detection of haplotypes under selection in dairy cattle. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012; 109(20): 7693—8.
6. Decker J.E., McKay S.D., Rolf M.M., Kim J., Molina Alcalá A., Sonstegard T.S. et al. Worldwide patterns of ancestry, divergence, and admixture in domesticated cattle. PLoS Genet. 2014; 10(3): e1004254.
7. Bovine HapMap Consortium. Genome-wide survey of SNP variation uncovers the genetic structure of cattle breeds. Science. 2009; 324(5926): 528—32.
8. Cohen-Zinder M., Seroussi E., Larkin D.M., Loor J.J. et al. Identification of a missense mutation in the bovine ABCG2 gene with a major effect on the QTL on chromosome 6 affecting milk yield and composition in Holstein cattle. Genome Res. 2005; 15(7): 936—44.
9. Zhang L., Ren H., Yang J., Gan Q., Zhao F., Gao H. et al. Effect of thyroglobulin gene polymorphisms on growth, carcass composition and meat quality traits in Chinese beef cattle. Mol. Biol. Rep. 2015; 42(9): 1403—7.
10. Kijas J.W., Lenstra J.A., Hayes B., Boitard S., Porto Neto L.R., San Cristobal M. et al. Genome-wide analysis of the world's sheep breeds reveals high levels of historic mixture and strong recent selection. PLoS Biol. 2012; 10(2): e1001258.
11. Beynon S.E., Slavov G.T., Farré M., Sunduimijid B., Waddams K., Davies B. et al. Population structure and history of the Welsh sheep breeds determined by whole genome genotyping. BMC Genet. 2015; 16: 65.
12. Groenen M.A., Archibald A.L., Uenishi H., Tuggle C.K., Takeuchi Y., Rothschild M.F. et al. Analyses of pig genomes provide insight into porcine demography and evolution. Nature. 2012; 491(7424): 393—8.
13. Larson G., Liu R., Zhao X., Yuan J., Fuller D., Barton L. et al. Patterns of East Asian pig domestication, migration, and turnover revealed by modern and ancient DNA. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010; 107(17): 7686—91.
14. Frantz L.A., Schraiber J.G., Madsen O., Megens H.J., Cagan A., Bosse M. et al. Evidence of_long-term gene flow and selection during domestication from analyses of Eurasian wild and domestic pig genomes. Nat. Genet. 2015; 47(10): 1141—8.
15. Rubin C.J., Megens H.J., Martinez Barrio A., Maqbool K. et al. Strong signatures of selection in the domestic pig genome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012; 109(48): 19529—36.
16. Wilkinson S., Lu Z.H., Megens H.J., Archibald A.L. et al. Signatures of diversifying selection in European pig breeds. PLoS Genet. 2013; 9(4): e1003453.
17. Li C., Wang X., Cai H., Fu Y. et al. Molecular microevolution and epigenetic patterns of the long non-coding gene H19 show its potential function in pig domestication and breed divergence. BMC Evol. Biol. 2016; 16(1): 87.
18. Jeong H., Song K.D., Seo M., Caetano-Anollés K. et al. Exploring evidence of positive selection reveals genetic basis of meat quality traits in Berkshire pigs through whole genome sequencing. BMC Genet. 2015; 16: 104.
19. Wang Z., Chen Q., Yang Y., Yang H. et al. A genome-wide scan for selection signatures in Yorkshire and Landrace pigs based on sequencing data. Anim. Genet. 2014; 45(6): 808—16.
20. Oleksyk T.K., Brukhin V., O'Brien S.J. Putting Russia on the genome map. Science. 2015; 350(6262): 747.
Поступила 04.05.16
D.M. Larkin1-2, N.S. Yudin1-3
IMPORTANCE OF GENOMIC RESEARCH IN STUDYING THE HISTORY OF DEVELOPMENT OF DOMESTIC ANIMALS
'The Federal Research Center Institute of Cytology and Genetics The Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Novosibirsk; 2The Royal Veterinary College, University of London, NW1 0TU, London, United Kingdom; 3Novosibirsk State University, 630090, Novosibirsk
The use of mammalian genomes for identification of genes and polymorphisms (mutations) associated with important traits of domestic (livestock) animals is reviewed. Examples are given of how genetic analysis provided identification of the key genes associated with the quality and quantity of milk yield in cattle and beef cattle production. The review considers modern genome mapping techniques that allow the efficiency of identification of gene and regulatory DNA polymorphisms in genomes of domestic animals to be increased. The history of development of the main species of domesticated animals (cattle, sheep, swine) is also considered from the viewpoint of genetics. Keywords: genome, domestic animals.
DOI 10.18821/0208-0613-2016-34-4-123-128
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2016 УДК 612.822.014.44:575
Борисова Е.В., Епифанова Е.А., Тутуков С.А., Салина В.А., Бабаев А.А. оптогенетические подходы в нейробиологии
ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 603950, Нижний Новгород, Россия
Оптогенетика — это новая и быстро развивающаяся технология, которая объединяет оптические методы с методами молекулярной биологии и может быть использована как для мониторинга различных оптических процессов в клетке, так и для контроля их активности с помощью света. Данная технология основана на экспрессии белков опсинов бактериального происхождения в нейронах млекопитающих. В обзоре мы более подробно остановились на применении оптогенетики для регулировании активности конкретных нейрональных популяций в различных областях головного мозга. Также в статье представлена информация о светочувствительных белках, генетически кодируемых оптических инструментах и их использовании в активации или ин-гибировании нейронов, исследованиях причинно-следственных связей между нейронными сетями и симптомами патологии.
Ключевые слова: оптогенетика, опсины, channelrhodop-sin-2 (ChR2), halorhodopsin (NpHR), археородопсин-3 (Arch), вирусные векторы, Cre-рекомбиназы, потеря двигательной функции, болезнь Паркинсона, эпилепсия.
DOI 10.18821/0208-0613-2016-34-4-128-132
Растения и многие микроорганизмы зависят от света, который является для них главным внешним сигналом для развития, формообразования и метаболизма. Фотоны света могут действовать в качестве сигналов при поглощении их специализированными фоторецепторами [4]. Фоторецепторы обычно содержат в своей структуре хромофор, при поглощении фотонов происходят разрывы химических связей и изомеризация. Это приводит к изменению конформации и/или кинетики фоторецептора, что инициирует последующие события сигналинга. В ходе эволюции эти природные фотодатчики приобрели максимальную эффективность и специфику в преобразовании света в биохимические сигналы [37].
В последнее десятилетие наблюдается растущий интерес к данным фоторецепторам с точки зрения точного пространственного и временного контроля биологической активности светом. Так как эти белки генетически детерминированы, они могут быть легко введены в клетки-мишени и внеклеточные структуры. Стало возможным использовать свет как переключатель активно-
Для корреспонденции: Борисова Екатерина Владимировна (Bori-sova Ekaterina Vladimirovna), e-mail.ru: [email protected]
сти в определенных популяциях нейронов с точностью до миллисекунды, что позволяет проводить фундаментальные эксперименты, которые выявляют роль конкретных нейронов в контроле деятельности нервной системы с высокой точностью [29].
Впервые обнаруженные у микроорганизмов светочувствительные белки сЬаппе1гЬ0^р8т-2 (СЬГ2), выделенные из водоросли Chlamydomonas reinhardtii, и Ьа10г-Ь0^р8т (ЫрНЯ) из архебактерии Natronomonas phara-onis — два наиболее часто используемых инструмента в оптогенетике [20, 40].
СЬК2 относится к типу белков, 7 раз пересекающих мембрану, и содержит изомеризующийся под действием света хромофор. СЬЯ2 непосредственно формирует ионные каналы, является ионотропным белком. Данные белки обеспечивают быструю и мощную клеточную деполяризацию, что делает их полезными для биоинженерии и нейронаучных исследований, включая фотостимуляцию [28].
СЬЯ2 возбуждается при облучении синим светом с длиной волны 470 нм. При поглощении света СЬЯ2 открываются поры диаметром минимум в 6 А. В течение миллисекунд происходит возвращение к первоначальной конформации, при этом происходит закрытие пор и остановка потока ионов. Все природные СЬ являются неспецифическими катионными каналами, проводящими Н+, П+, К+, и ионы Са2+ [12, 15].
Первые эксперименты показали, что белок СЬЯ2 включается в состав катион-селективного ионного насоса в ооцитах Xenopus laevis и в клетках млекопитающих [17, 28]. Для возможности визуализации СЬК2-экспрессирующих клеток к опсину на внутриклеточной стороне «пришивали» флуоресцентный белок (ФБ), который светится под воздействием зеленого света. Под воздействием синего света СЬЯ2 открывает доступ притоку Па+ в клетку (рис. 1) [28].
Однако при непрерывном освещении СЬЯ2 снижается его чувствительность. Восстановление после десенсибилизации может ускорить поток внеклеточных протонов и формирование отрицательного мембранного потенциала. Таким образом, СЬК2 может быть использован для деполяризации клеток [26, 27]. Созданы трансгенные мыши,
