Набор генов знаменитой ездовой собаки Балто отличается от современных сибирских хаски

 Совокупность генов сибирского хаски по имени Балто, который жил в 1920-х, свидетельствует, что хорошее здоровье зависит от большего генетического разнообразия и меньшей степени инбридинга.

Фото: каюр Гуннар Кассон и Балто у мемориала в Центральном парке Нью-Йорка  

Автор: Лорен Дж. Янг,  27 апреля 2023 г. SCIENTIFIC AMERICAN

Перевод: Кулешова Ирина

В списке собак-героев имя Балто всегда где-то сверху. Знаменитый сибирский хаски вдохновил продюсеров на создание анимационного фильма в 1995 году. А его мемориал в Центральном парке Нью-Йорка увековечил память ездовой упряжки, которая доставила лекарство от дифтерии в далёкий город на Аляске, где разразилась эпидемия в 1925 году. А теперь ДНК Балто позволила больше узнать о том, как генетическое разнообразие сказывается на здоровье собак — в прошлом и настоящем.

В исследовании, опубликованном журналом Science,говорится, чтобиологи обнаружили генетическое разнообразие — куда большее, чем у собак современных пород, а следовательно можно сказать, что Балто был и здоровее. Его гены также свидетельствуют, что сам Балто и его отважные товарищи в 1920-х обладали множеством качеств, позволяющих путешествовать и выживать в суровой среде. Результаты исследования прояснили временные изменения не только в генетике и происхождении собак, но и их генетическом здоровье.

«Мы обнаружили, что Балто отличается от всех современных пород генетическим разнообразием и здоровьем, но похож на рабочих собак с Аляски — тех, что разводят непосредственно для работы, а не эстетичного фенотипа, как сейчас принято», — сказала Кетрин Мун (KatherineMoon), молодой учёный и соавтор исследования из университета Калифорнии.

Балто был частью импортированной популяции сибирских хаски, выведенных ради скорости, выносливости и некрупного размера. В январе 1925 года эпидемия дифтерии поразила жителей Ноума на Аляске, а добраться в этот город зимой можно только на упряжке. Дифтерия — это опасная бактериальная инфекция, которая без лечения приводит к смерти, особенно детей. Упряжка ездовых собак, включая Балто, доставила ампулы с антитоксином из Ненаны, пробежав 674 мили (1085 км) при температуре -85 градусов по Фаренгейту (-30 градусов Цельсия) и суровом ветре. Используя ДНК Балто как представителя тех собак 1920-х годов, Мун и её коллеги намеревались узнать, несут ли они особые вариации генов, которые делали их столь выносливыми ездовыми собаками.

Исследователи секвенировали образцы ДНК из чучела Балто, выставленного в качестве экспоната в музее естественной истории в Кливленде. Они сравнили эти последовательности с образцами современных собак разных пород, в том числе — трёх ездовых собак-финалистов Айдитароуда XXIвека (гонка Айдитароуд каждый год проходит по следам спасительного пробега 1925 года). Происхождение Балто не слишком отличается от современных аляскинских рабочих собак — как и у них, 68 процентов предков Балто восходят к собакам Арктики. НекоторыепредкиБалтонашлисьисредиазиатскихлиний. Генотип Балто свидетельствует о том, что его рост составлял около 55 сантиметров в холке, он был покрыт двойной чёрной шерстью — коротким плотным подшерстком с более длинным покровным волосом, а на груди было белое пятно.

Учёные также отметили изменения в белках — варианты, которые создала сама эволюция. На отдельных участках генома изменены последовательности (т.н. мутации). Это явление распространено у многих видов, поскольку оно запускает эволюционные процессы адаптации. Уникальные варианты затрагивают развитие костей и тканей, в том числе толщину кожи, вес, координацию и формирование суставов. Вариации белковых последовательностей у Балто говорят о том, что его фенотип (набор физических черт) был наиболее подходящим для выживания в условиях Арктики. «Непередаваемое ощущение! — говорит Мун. — Поразительно в хорошем смысле слова. Увидеть, что генотип, о котором мы только догадывались, в каком-то смысле соответствует фенотипу и всему, что мы уже знали о Балто».

Команда учёных также обнаружила, что Балто адаптировался к усвоению крахмала — этой особенности нет у волков, но она распространена среди современных собак разных пород. И хотя традиционно ездовые собаки питались исключительно мясом, Мун утверждает, что Балто, похоже, ел и продукты, богатые крахмалом.

Кристина Хенсен (CristinaHansen), доцент университета Аляски в Фэрбанксе и главный ветеринар гонки «Юкон Квест», говорит, что ездовые собаки тратят 10000 калорий в день на соревнованиях вроде Айдитароуд. «Если ездовой собаке, которая весит от 40 до 70 фунтов (18—32 кг), давать высококалорийный паёк, состоящий полностью из мяса, дело  закончится поносом», — поясняет Хенсен, которая не участвовала в исследовании. «Крахмал — хороший источник энергии. Может быть, нужно найти способ добавлять больше крахмала в рацион ездовых собак».

В целом, геном Балто отличается большим разнообразием, нежели у современных пород, включая как экстерьерное, так и «рабочее» разведение, когда собак выводят ради функциональных черт. Балто был и менее инбредным, нежели это принято сейчас. И, как у рабочих ездовых собак XXI века, у Балто встречается меньше редких и потенциально опасных генетических вариаций, чем в других породах. Команда учёных предположила, что причиной, по которой сокращается генетическое разнообразие, но привносятся опасные мутации, стало селекционное разведение. Мун утверждает, что большое генетическое разнообразие позволяет лучше адаптироваться к изменениям в окружающей среде и источникам стресса. Именно поэтому ученые используют этот показатель для измерения генетического здоровья.

«Все мы знаем истории разных пород, в которых слишком часто встречаются генетические заболевания, например, пороки сердца или дисплазия тазобедренных суставов. Это и есть последствия инбридинга», — говорит Бет Шапиро (BethShapiro), профессор экологии и эволюционной биологии университета Калифорнии в Санта-Круз, а также один из главных соавторов этого исследования. «Из-за инбридинга мы теряем разнообразие и повышаем шансы нежелательных мутаций, которые становятся привычными в той или иной породе».

 Чтобы повысить выносливость и увеличить скорость, рабочих ездовых собак получают преимущественно из ауткросса или от производителей, которые отличаются генетически. Так на свет появляются метисы с более разнообразным генофондом. В итоге это сказывается на лучшем здоровье популяции. Хенсен говорит, что результаты исследования генома Балто вписываются в её представления о ездовых собаках: «Они выглядят как дворняжки, но в большинстве это очень здоровые собаки».

Мун утверждает, что сейчас ездовые собаки даже «более быстрые и жизнестойкие», чем в эпоху Балто. «Когда отбирают собак по рабочим качествам, а не эстетичным чертам, очевидно... даже если выводить ради какого-то качества, генетическое разнообразие всё равно шире, а здоровье — крепче».

Исследование генотипа Балто — это лишь часть обширного исследовательского проекта Zoonomia, масштабной попытки понять генетическое разнообразие и эволюцию млекопитающих. Генотип известной собаки стал примером тому, что учёные могут узнать из данных ограниченной популяции — по словам Мун. Она надеется, что подход, который использовала её команда, и результаты исследования можно применить к другим видам, сохранение которых требует срочного внимания.

 «Сложно получить материалы для вымирающих видов, популяция которых может быть ограничена одним-двумя экземплярами. Где нет представительных групп, чтобы оценить положение дел, — говорит Мун. — Но такой тип исследования интересен потому, что мы можем работать даже с одним геномом из всего вида».

Комментарий генетика, заводчика сибирских хаски Трейси Смит в сообществе Siberian Husky Genetics and Confirmation Discussion

(Ph. D Tracy Smith)

University of Maryland, Baltimore County

Наконец статью о проекте Балто опубликовали в престижном научном издании Science! Над ней трудились уже довольно долго, и я буквально по рукам себя била, чтобы не проболтаться! И вот теперь давайте все восхищаться столь важным достижением исследователей. Заметьте, что Хезер Хасон (Heather Huson) — автор с равным вкладом в опубликованную работу. Если вы её не знаете, Хезер — каюр аляскинских хаски и исследователь генетики ездовых собак в Корнеллском университете (Итака, штат Нью-Йорк).

Во-первых, почему именно Балто? В сопроводительной документации исследователи прилагают ответ: «К сожалению, славу Балто несколько омрачили в глазах каюров и всей истории ездового спорта. Еще до спасительного пробега в записях значилось, что Балто работал в упряжке Сеппалы, но не в основном составе. В шесть месяцев Балто кастрировали, и он не оставил потомков. Поэтому Балто оставили в Ноуме для нужд компании PioneerMining, в то время как Сеппала со своей командой грузили антитоксин и отправлялись в путь. Упряжка Сеппалы, которая преодолела самую продолжительную и сложную часть дистанции, состояла из всем известных собак, среди них были Фриц, Билликен, Пит, Юный Скотти и, конечно, самый знаменитый вожак — Того. Эпидемия в Ноуме ухудшалась, поэтому на перехват упряжке отправили новых собак из числа тех, что Сеппала оставил в Ноуме. Управлял упряжкой Гунар Каасен, и в ней бежали другие сильные лидеры, например Фокс. Был в ней и Балто. Где бы ни стоял Балто в упряжке Каасена —во главе или хвосте — он смог пробежать 53 мили (85 км) до Ноума и помог доставить лекарство. Он принёс национальную славу ездовым собакам в 1925 году и стал героем, «лицом» рабочих ездовых собак на ближайший почти что век».

Теперь, когда мы разъяснили, почему Балто ТОЖЕ ВАЖЕН, перейдём к делу.

Технические достижения в извлечении древней ДНК позволили учёным успешно секвенировать всю совокупность генов Балто и исследовать его генетическое происхождение, генетическое здоровье в понятиях разнообразия, число нездоровых вариантов белковых последовательностей и даже гены, отвечающие за окрас и прочие черты. Генетические данные исследовательской команды насчитывают совокупности генов 688 собак, принадлежащих 135 породам или популяциям.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ: знатоки этой истории давно знают, что Балто никогда не был чистокровным сибирским хаски. Современный анализ подтвердил, что Балто всего на 36 % сибирский хаски, на 34 % аляскинский хаски, на 10 % гренландская собака, на 13 % вьетнамская примитивная порода и на 6 % тибетский мастиф. Это не означает, что в родословной Балто обязательно был мастиф, но доказывает, что в его ДНК есть те же аллели, что и у тибетского мастифа. И что мастифы — общие предки для Балто и тибетского мастифа как породы в целом. Подтверждает это и слова Сеппалы: «Балто нельзя было назвать ни сибирским хаски, ни надёжным работником». Примечательно, что у него не встретились предки из аляскинских маламутов, и это имеет смысл, потому что маламуты как порода сформировались от слияния разных популяций ездовых собак после жизни Балто и стали новой породой.

На филогенетическом дереве (рис. А) Балто попадает в группу с современных аляскинских хаски. По подсчёту главных компонент он также соотносится с современными алясками (рис. В). Это означает, что генетически Балто схож именно с этой популяцией.

РАЗНООБРАЗИЕ: у Балто обнаружилось наибольшее генетическое разнообразие, чем у любой породы в этом исследовании. Генетический коэффициент инбридинга (Coefficient Of Inbreeding, COI) — 0,02. Протяженность гомозиготных областей (Run Of Homozygosity, ROH) короче, чем у любой из пород, и их меньше, чем у всех других пород, за исключением тибетского мастифа. Всё это означает, что инбридинга у Балто было немного (что не удивительно, он же метис), а незначительное его количество унаследовано от совсем древних предков.

Генетическое здоровье определили путём сравнения белковых последовательностей, которые изменялись под влиянием эволюции (и после мутации оставались неизменными), на примере 240 записей из базы Zoonomia. «Балто как и современные ездовые собаки рабочих линий имел малую отягощённость уникальными уязвимыми последовательностями белков. Такое наблюдение свидетельствует, что они представляют собой генетически более здоровую популяцию, чем собаки селекционных пород». Сибирские хаски и маламуты  (а впрочем и все 54 породы, проверенные здесь) имеют значительно более высокий уровень фракций уникальных уязвимых последовательностей (рис. Е). Сибирские хаски представлены голубыми кружками на рисунках.

ГЕНЫ ОКРАСА И ДРУГИХ ЧЕРТ: генотип Балто соответствует его фенотипу. Он был Em/E (с чёрной маской), at/a (подпал, носитель рецессивного чёрного окраса), и имел одну копию аллеля голубых глаз (скрытых чёрной маской). Кроме того, он был носителем гена длинной шерсти.

У Балто обнаружили меньшее количество копий гена амилазы, который служит для усвоения крахмалов — меньшее по сравнению с современными породами. Их и сейчас у сибирских хаски немного, и можно предположить, что эти собаки выживали на диетах бедных крахмалами по сравнению с породами, которые развивались рядом с человеком в аграрных сообществах.

Комментарий генетика из Университета Бристоля — Давиде Пизани, в сообществе Siberian Husky Genetics and Confirmation Discussion

(BSC, PhD Davide Pisani)

 University Of Bristol

Прошу прощения за многословие, но надеюсь, вы найдёте в моём комментарии что-то интересное для себя. Большинство из вас со мной не знакомы, поэтому представлюсь: я не только любитель сибирских хаски, но и профессор филогенетики в  Бристольском университете (представляю, как странно это звучит). Я не работаю с собаками и их генетикой, но разрабатываю методы филогенетики и применяю их для изучения высших рангов Линнея, например семейств и отрядов у млекопитающих, или таксономических типов животных (моллюсков и позвоночных). К примеру, я участвовал в секвенировании генома гигантского кальмара, а совсем недавно — миксины.

Я подумал, что как филогенетик могу помочь разобраться в информации, которое представляет филогенетическое дерево — ведь из него мы узнали потрясающие вещи. Понимаю, что для тех, кто не «варится» в этой теме в режиме 24/7, это может быть затруднительно.

Поэтому сначала давайте поговорим о самом дереве. Дерево составлено с помощью генетических данных (например, что у Балто и сибирских хаски всего 36 % общих аллелей или что у него часть общих аллелей с тибетским мастифом) так, чтобы предоставить наглядную схему происхождения. Она и называется филогенетическим или, если хотите, генетическим деревом. Ввиду того, что в популяциях собак гены перемешиваются из-за метисации (метисы — это дворняги), филогенетику собак очень трудно интерпретировать, но далее я постараюсь объяснить своё видение этого конкретного дерева.

Как читать дерево и какие выводы можно сделать? (См. рис. В).

Вообще, существует несколько способов интерпретации деревьев. Но в данном случае у нас есть суперзвезда — Балто, и самое важное здесь — разобраться в его происхождении.

Давайте начнём с верхушки дерева (Балто) и будем двигаться к корням. Идём по веточке до тех пор, пока не упрёмся в её основание. Эту точку называют узлом. Он отмечен звёздочкой, которая означает уверенность (уверенность в результате). Здесь мы видим 100-процентную уверенность.

Теперь, если взбираться вверх от этого внутреннего узла (с противоположного от Балто  конца ветки), то увидите аляскинских хаски. Это означает, что Балто и аляскинских хаски ОБЪЕДИНЯЕТ общий предок, которого у других собак нет. От этого сам Балто не становится современным аляскинским хаски, но, скорее, их двоюродным братом (мы называем Балто и других алясок «сестринскими линиями»). Внутренний узел соединяет две ветки дерева (Балто и аляски представляют их общего предка).

Дальше спускаемся по дереву от первого внутреннего узла с общими предками Балто и аляскинских хаски пока не упрёмся в другой внутренний узел со звёздочкой (опять 100-процентная уверенность). На правой части веток этого узла — группа, которая включает две породы: гренландскую собаку и аляскинского маламута. Этому есть два объяснения. Аляскинские маламуты созданы по крайней мере из одной гренландской собаки по имени Бесси, а второе и, пожалуй, более важное: и аляскинские маламуты, и гренландская собака генетикой признаны «американскими собаками». Напомню, что собаки распространялись с западной части Азии в восточную и попали в Америку через Берингов пролив, а уже оттуда — в Гренландию.

Этот второй внутренний узел со звёздочкой говорит нам, что Балто и аляскинские хаски имеют ОБЩЕГО предка с гренландскими собаками и аляскинскими маламутами, которого у других собак нет. (Балто + АХ) и (ГС + АМ) — сестринские линии.

Проигнорируем Балто и зададимся вопросом: что общего у АХ, ГС и АМ? Ну, один из ответов — всё это американские собаки. Запомним и вернёмся к дереву.

Вернёмся к внутреннему узлу, который показывает общего предка АХ, Балто, АМ и ГС, и отправимся по ветке в сторону корня. Уже понятно, что там мы встретим ещё один внутренний узел с общим предком (более удалённым во времени). В этот раз узел со звёздочкой объединит Балто, АХ, АМ, ГС с сибирскими хаски.

И вот мы достигли сибирской породы. НЕ американской собаки. Этот внутренний узел представляет предка СХ, АХ, Балто, ГС и АМ, и если наши знания об эволюции собак верны, этот общий предок жил в Сибири ДО разделения пород на СХ, АХ, ГС и АМ. Мы говорим о временных рамках, в которых жила собака Жохова (9500 лет назад) в Сибири. Не обязательно этот предок был именно таким, но чем-то похожим на собаку тех времен.

Если продолжить наш путь в сторону корня, наткнётесь на общего предка Балто, АХ, АМ, ГС, СХ и 73 других пород. То есть начнётся предыстория всех собак, что для нас не столь интересно.

Какой же вывод можно сделать?

Первое: без сомнения Балто был американской собакой. Он расположен вглуби филогенетической ветви американских собак и все его предки находятся там с высокой статистической уверенностью. Он был метисом нескольких пород (скорее всего), но данные упорно сигнализируют, что предки его произошли из Америки, а если быть точнее — из группы собак, благодаря которой сложились современные аляскинские хаски. Так вот, он был с Аляски и имел аляскинское наследие. Генетика говорит нам, что у Балто было 36 % аллелей общих с современными сибирскими хаски. Часть из них перепали от сибирских хаски через других, частично американских собак, таких как Того и Фриц, а другая часть могла попасть от прежних пересечений с сибирскими собаками в личной истории Балто. Каким бы образом аллели СХ ни попали к нему, данные очевидно говорят, что Балто — преимущественно американская собака.

Второе: Балто не был импортирован из Сибири и Балто не имел отношения к предкам сибирских хаски (чего нельзя сказать про других частично американских собак). В действительности последний общий и прямой предок Балто и сибирских хаски был тем же, что объединял сибирских хаски и гренландских собак (за исключением той возможной части прилива крови сибирских импортов в личной истории Балто). И если это правда, история арктических пород говорит нам, что общий предок Балто и сибирских хаски жил примерно 9,5 тысяч лет назад.