Genetika zbarvení psů
Poradenské centrum MZLU v Brně – leden 2008
Geny ovlivňující zbarvení u domestikovaných psů 1 – základní barvy doc. Ing. Tomáš Urban, Ph.D. Ústav morfologie, fyziologie a gentiky zvířat AF MZLU v Brně,
[email protected] Psi byli selektováni do více variant velikostí a typů těla než většina ostatních druhů a domestikovaných zvířat. Tato velká diverzita se také projevila ve velké rozmanitosti zbarvení srsti. Genetika zbarvení srsti u psů, stejně jako u ostatních savců, je studovaná již mnoho let. Už v padesátých letech minulého století byly napsány knihy o potenciálních genech, které by mohly vysvětlovat dědičnost zbarvení v rodinách – Little (1957) a Winge (1950). Oba autoři použili písmena k označení lokusů a alel (dvou i více) předpokládaných genů, které se objevovaly v rodinách. Jejich výsledky se velmi podobaly. U většiny plemen je povolen relativně úzké rozpětí v barevnosti standardu a u některých plemen mají všichni jedinci stejné barvené vzory. Určité barvy byly znakem pro vyřazení z chovu, protože byla např. spojena s nežádoucími efekty (zdraví, …). V posledních několika letech bylo odhaleno a identifikováno několik genů, které jsou zodpovědné za pigmentaci u psů. K tomu přispěla zejména srovnávací (komparativní) genomika. Bylo identifikováno sedm genů, které určují specifickou barvu kůže a nebo různé vzory u psů: melanocortin 1 receptor, tyrosinase related protein 1, agouti signal peptide, melanophilin, SILV (dříve PMEL17), microphthalmia-associated transcription factor a beta-defensin 103. I když ještě nebyly určeny všechny alely na každém lokusu, jsou vyvinuty příslušné DNA testy. Identifikace těchto alel poskytuje zejména informace o interakcích v tomto komplexu genů, které jsou zodpovědné jak za vývoj pigmentace tak za vývoj neurologický (pleiotropní efekt – kdy jeden gen ovlivňuje více vlastností – zde zbarvení a neurologické onemocnění). Oba tyto komplexy vlastností jsou spolu vývojově propojené. Alely zjištěné u různých plemen umožňují potenciálně vyhodnocovat historii šlechtění a fylogenetické vztahy. Tyto informace jsou hodnotné zejména pro šlechtěné plemena psů, která byla selektována na základě specifických barevných standardů od konce 18. století. Protože je zbarvení srsti viditelný znak, je tato informace vhodná i pro výuku základních genetických principů. Přístup molekulární genetiky umožňuje šlechtitelům vysvětlit např. proč v určitých vrzích u potomků se neobjeví očekávané zbarvení. Hlavní lokusy zbarvení srsti Gen melanocortin 1 receptor Melanocortin 1 receptor (MC1R) byl prvním genem studovaným molekulárně genetickými metodami psů. MC1R byl zmapován na 5. chromozomu (Schmutz et al. 2001a). Byla popsána mutace způsobující ztrátu funkce, 914C > T (Newton et al., 2000 a Everts et al., 2000), která zapříčiňuje jasně červené zbarvení srsti (Obr. 1 - e, h, l). Tato mutace, která způsobuje záměnu stop kodonu za arginin (R306ter), je přítomna u mnoha plemen psů. Little (1957) nazval tento lokus E neboli extension a tato alela je označena e a původní (divoká) dominantní alela E (Tab. 1). Třetí alela EM vznikla jednonukleotidovou substitucí (799 A > G), která dává vznik záměny aminokyselin M264V (Schmutz et al. 2003a). Melanistické překrytí způsobené jednou kopií této alely je viditelné u psů, kteří jsou zesvětlení (plaví) nebo skvrnití (Obr. 1 - d). Psi celoplášťově černí, hnědí nebo modří nemají to překrytí, které je neodlišitelné od barvy jejich těla. U psů, kteří blednou do šedé s věkem, se objeví jejich maskování v čase (Obr. 1 - k). Podobně psi, kteří mají 1
Genetika zbarvení psů
Poradenské centrum MZLU v Brně – leden 2008
bílé čumáky, neprodukují melanin v těchto oblastech těla a neprojeví se u nich překrytí, dokonce ani když mají tuto alelu (Obr. 1 - j). Obr. 1: Fotografie a vybrané genotypy různých plemen psů, které zobrazují varianty zbarvení srsti a interakcí genů.
(a) světle hnědý French Brittany ky/ky, E/E, b/b, at/at; (b) (vlevo) hnědý German Shorthaired Pointer KB/KB, E/E, b/b a (vpravo) černý Large Munsterlander KB/KB, E/E, B/b; (c) Landseer Newfoundland KB/KB, E/E, B/B, s/s; (d) světle maskovaný Chinese Shar-Pei ky/ky, EM/E, B/B, ay/ay; (e) světlý French Bulldog kbr/ky, e/e, B/B, ay/ay; (f) skvrnitý Staffordshire Bull Terrier kbr/ky, E/E, B/B, ay/at; (g) merle Australian Shepherd ky/ky, E/E, B/B, at/at, M/m; (h) (vlevo) jasně červený Miniature Dachshund ky/ky, e/e, B/B and (vpravo) černý – světle hnědý Miniature Dachshund ky/ky, E/−, B/B, at/at; (i) modrý Great Dane KB/−, E/E, B/B, ay/ay, d/d; (j) zředěně světlý Italian Greyhound ky/ky, EM/E, B/B, ay/ay, d/d; (k) mladý Kerry Blue Terrier KB/KB, EM/E, B/B, D/D, G/G; (l) zlatý maďarský ohař - Viszla KB/KB, e/e, b/b.
2
Genetika zbarvení psů
Poradenské centrum MZLU v Brně – leden 2008
Gen tyrosinase related protein 1 Tyrosinase related protein 1 (TYRP1) je gen, zapříčiňující hnědou barvu srsti (Obr. 1 - a, b). TYRP1 byl zmapován na 11. chromozomu (Schmutz et al. 2002). Little (1957) jej označoval jako lokus B (Tabulka 1), kdy se hnědá barva dědí recesivně vůči černé. Byly detekovány tři alely, přičemž kombinace dvou zapříčiní hnědé zbarvení srsti. Jedna alela bs obsahuje stop kodon v exonu 5 (Q331ter) (c. 991 C > T), druhá alel bd obsahuje deleci prolinu také v exonu 5 (345delP) (c.1033-6 deleted) a třetí alela bc je substitucí v exonu 2, která způsobuje výměnu cysteinu za (S41C) (c. 121 T > A). Všechny tři alely byly detekovány u většiny 28 plemen, které byly genotypovány, ale u některých plemen neměli hnědými jedinci žádnou ze tří alel. Te možné, že je další mutace v genu TYRP1, která ještě nebyla odhalena, neboť je vzácná. U některých plemen jako je Doberman Pinschers a Australian Shepherds, jsou hnědí psi označováni jako červení. Tito psi však mají některou výše popsanou mutaci v TYRP1. Alely TYRP1 interagují s alelami MC1R. Pes genotypu e/e na lokusu MC1R má krémovou, žlutou nebo červenou barvu srsti, ale kůže čumáku, okolí oka a tlap jsou buď černá (Obr. 1 – e , h vlevo) nebo hnědá (Obr. 1 - l), nebo zředěná, závisejících na genotypu TYRP1. Pravděpodobně genotyp e/e ovlivňuje melanocyty v keratinizované kůži odlišně od melanocytů v chlupových folikulech. Všichni psi, kteří mají barvu srsti černou, hnědou nebo šedou, ať už jednobarevný nebo skvrnitý vzor, ji zdědili dominantně, mají nejméně jednu alelu E nebo EM. Takoví psi mají také nejméně jednu alelu KB (Kerns et al. 2005, 2007; Candille et al. 2007). Gen agouti signal peptide Agouti signal peptide (ASIP) má několik alel, které jsou zahrnuty do zbarvení srsti u psů. ASIP byl zmapován na 24 chromozomu (Kerns et al. 2004). Čtyři alely jsou u psů v dominantní hierarchii ay > aw > at > a. Divoký typ alely aw zapříčiňuje, že některé chlupy mají proužky střídání pigmentů eumelanin, phaeomelanin, eumelanin po jeho celé délce. Tyto proužkované chlupy se vyskytují typicky na hřbetu trupu. ASIP sekvence této alely má kompletní homologii se sekvencí vlka (Berryere et al. 2005) a také sekvence aminokyselin v proteinu je stejná jako u kojota (Schmutz et al. 2007). Recesivní alela tohoto genu způsobuje černé zbarvení srsti. Alela R96C (a) (c.288C>T) se vyskytuje hlavně, ale ne výhradně u chovaných plemen. Je přičinou černé barvy jen u German Shepherd Dog a Shetland Sheepdog (Kerns et al. 2004; Berryere et al. 2005), ale vyskytuje se také u černých jedinců plemen Schipperke, Groenendael a Puli. Alela byla také identifikována u plemen samojed a americký eskymácký pes, ale u obou se vyskytuje bílé zbarvení. Alela vyskytující se u většiny plemen psů je známá jako ay, děděná jako dominantní alela v jejich sérii. Alela kóduje dvě aminokyselinové změny v porovnání s divokou alelou, A82S a R83H (c. 246 G > T a c. 250 G > A) (Berryere et al. 2005). Zbarvení srsti se u většiny plemen nazývá plavá (fawn) (Obr. 1 - d, e, j), někdy jako sobolí. Tyto mutace nebyly zjištěny u vlka ani u kojota. DNA testy (PCR-RFLP test) jsou vyvinuty pro odhalení obou mutací. Je variabilita v počtu černých chlupů daných alelou ay, což je vysvětlováno genem Mahogunin, který ještě nebyl prokázán. U čtvrté alely at se předpokládá, že způsobuje zbarvení černá-světle hnědá (Obr. 1 - a, h vpravo). V kódující sekvenci (exon 2–4) nebyl zjištěn rozdíl mezi psy s tímto fenotypem a psy s fenotypem aguti divokého typu. Tato předpokládaná alela se musí lišit v jedné z oblastí promotoru, ale v ASIP promotorech ještě nebyl identifikován u psů. Ačkoliv šlechtitelé popisují
3
Genetika zbarvení psů
Poradenské centrum MZLU v Brně – leden 2008
pátou alelu, as pro sedlové světlehnědé zbarvení, není pro takovou alelu v současné době žádný důkaz. Gen beta-defensin 103 Lokus K zapříčiňuje černé zbarvení srsti, která se dědí jako dominantní – to si určili šlechtitelé, když písmeno K vybrali ze slova black. U většiny plemen psů, aby měli jednobarevnou eumelaninovou barvu srsti (černá, hnědá, šedá) (Obr. 1 a–c, i, k), se musí vyskytovat nejméně jedna alela E nebo EM v lokusu MC1R a nejméně jedna dominantní alela v lokusu K. Gen K je beta-defensin 103, který je lokalizován na 16. chromozomu a má vztah k pigmentaci. Lokus K obsahuje také dvě další alely. Jedna kopie alely kbr v přítomnosti alely ky je dostačující, aby zapříčinila u psů projev fenotypu známým jako skvrnitost (Brendle) (Kerns et al. 2007). Skvrnitost u psů představuje střídající pruhy phaeomelaninu a eumelaninu různých odstínů (Obr. 1 - f). U některých psů je taková převaha eumelaninu, že se pes jeví jako černý, zatímco u jiných jedinců jsou eumelaninové pruhy velmi úzké. Skvrnitost se projevuje po celém těle u psů s alelou ay (Obr. 1 - f), ale jen na břišní straně u psů s genotypem at/at (Berryere et al. 2005). Psi s genotypem ky/ky mají světlejší barvy (Obr. 1 - d, j), vlčí a sobolí zbarvení nebo eumelanin-a-světle hnědé zbarvení (Obr. 1 - a, h vpravo) závisející na genotypu lokusu ASIP. DNA testování je úspěšně předpovídána pigmentaci eumelanin vs. phaeomelanin u některých plemen, jako Labrador Retriever, s použitím jen genotypování lokusu MC1R. Důvodem je, že toto plemeno je vázáno na genotyp KB/KB a genotyp e/e je epistatický k alelám KB a kbr (Obr. 1 - e). Ale u ostatních plemen, jako Great Danes (Obr. 1 - i), pigmentace eumelanin vs. phaeomelanin je kontrolován KB/− vs. ky/ky, a jeví se, že toto plemeno je vázáno na genotyp ay/ay při přítomnosti E nebo EM. Tabulka 1: Geny a lokusy odhalené a předpovídané, které jsou zahrnuty do pigmentace u psů ZÁKLADNÍ BARVY A (aguti) = agouti signalling protein (ASIP) CFA24 ay
plavá/sobolí (krémová k žluté a červené s tmavšími konečky chlupů) (celobarevné černé chlupy promíchány mezi načervenalými chlupy u některých plemen)
aw
Zbarvení vlka-sobola – divoký typ barvy (mnoho pruhovaných chlupů – černá-načervenalá-černá)
t
Černá-a-světle hnědá nebo hnědá-a-světle hnědá a A Recesivní blafl B (hnědá) = tyrosinase related protein 1 (TYRP1) CFA11 B Černý eumelanin b (b s, b d, bc) Hnědý eumelanin E (extension) = melanocortin receptor 1 (MC1R) CFA5 EM Melanistická překrytí E Eumelanin (černá, hnědá, modrá) může být tvořen E Pouze phaeomelanin (červená, žlutá, krémová) je tvořen K (z ‘dominantní černé - blacK’) = (CBD103) CFA16 KB kbr
Černá, hnědá nebo modrá (pouze pigmentace eumelanin) Strakatost (Brendle) (na určitých oblastech těla, které by mohly jinak být pigmentovány phaeomelaninem)
Exprese alel aguti, že se může exprimovat phaeomelanin ky Alely jsou seřazeny podle předpokládané hierarchie dominance. Označené tlustě jsou potvrzené na úrovni DNA.
Další článek bude pokračovat v popisu genů ředící barvu nebo tvořící různé vzory (strakatost …). 4
Genetika zbarvení psů
Poradenské centrum MZLU v Brně – leden 2008
Literatura: Berryere T.G., Kerns J.A., Barsh G.S. & Schmutz S.M. (2005) Association of an agouti allele with fawn or sable coat colour in domestic dogs. Mammalian Genome 16, 262–72. Candille S.I., Van Raamsdonk C.D., Chen C., Kuijper S., Chen-Tsai Y., Russ A., Meijlink F. & Barsh G.S. (2004) Dorsoventral patterning of the mouse coat by Tbx15. PLoS Biology 2 Jan, E3. Everts R.E., Rothuizen J. & van Oost B.A. (2000) Identification of a premature stop codon in the melanocytestimulating hormone receptor gene (MC1R) in Labrador and Golden retrievers with yellow coat colour. Animal Genetics 31, 194–9. Kerns J.A., Cargill E.J., Clark L.A., Candille S.I., Berryere T.G., Olivier M., Lust G., Schmutz S.M., Murphy K.E. & Barsh G.S. (2007) Linkage and segregation analysis of black and brindle coat color in domestic dogs. Genetics, 176: 1679–1689. Kerns, J.A., Candille S.I, Berryere T.G., Cargill E.J., Murphy K.E., Schmutz S.M. & Barsh G.S. (2005) The Aaron B. Lerner Lecture: genetics of melanocortin signalling: barking up a new tree. Pigment Cell Research 18(Suppl. 1), 2. Little C.C. (1957) The Inheritance of Coat Colour in Dogs. Comstock, Ithaca, NY. Newton J.M., Wilkie A.L., He L., Jordan S.A., Metallinos D.L., Holme N.G., Jackson I.J. & Barsh G.S. (2000) Melanocortin 1 receptor variation in the domestic dog. Mammalian Genome 11, 24–30. Schmutz S.M & Barsh G.S. (2004) Characterization of the dog Agouti gene and identification of a nonagouti mutation in German Shepherd Dogs. Mammalian Genome 15, 798–808. Schmutz S.M. & Berryere T.G. (2007) The genetics of cream coat colour in dogs. Journal of Heredity, 98: 544 548. Schmutz S.M., Berryere T.G. & Goldfinch A.D. (2002) TYRP1 and MC1R genotypes and their effects on coat colour in dogs. Mammalian Genome 13, 380–7. Schmutz S.M., Berryere T.G., Ellinwood N.M., Kerns J.A. & Barsh G.S. (2003a) MC1R studies in dogs with melanistic mask or brindle patterns. Journal of Heredity 94, 69–73. Winge O. (1950) Inheritance in Dogs with Special Reference to the Hunting Breeds. Comstock Publishing, Ithaca, NY.
5
