Черные медведи стали менее черными из-за единственной мутации

Зоологи выяснили, почему многие медведи-барибалы (они же черные медведи) на западе Северной Америки окрашены в светлые тона. Оказалось, что виной всему мутация в гене TYRP1, которая мешает нормальному синтезу пигмента эумеланина. Данный генетический вариант возник на западе ареала барибалов около девяти тысяч лет назад, широко распространился здесь, а позднее начал проникать и на восток. Как отмечается в статье для журнала Current Biology, вероятно, светлый окрас делает барибалов менее заметными для хищников, таких как волки и пумы.

Североамериканских медведей-барибалов (Ursus americanus) часто называют черными медведями. В восточной части ареала почти все представители этого вида действительно окрашены в черный цвет. Однако тем дальше на запад, тем чаще среди них встречаются особи с необычно светлой шерстью. Например, на юго-западе США много светло-коричневых или красновато-коричневых барибалов. На юго-востоке Аляски обитают голубовато-серые барибалы, также известные как ледниковые медведи, а в канадской провинции Британская Колумбия — почти белые.

Светлая окраска барибалов может иметь приспособительное значение. Например, предполагается, что белые особи из Британской Колумбии меньше пугают идущих на нерест лососей и благодаря этому эффективнее ловят их. А барибалам с юго-запада США светло-коричневая расцветка, возможно, помогает легче переносить жаркую сухую погоду — и заодно защищает этих животных от хищников, делая их похожими на более крупных бурых медведей (Ursus arctos), которые водились здесь еще несколько столетий назад.

Команда зоологов под руководством Эмили Пакетт (Emily E. Puckett) из Мемфисского университета решила больше узнать об эволюционной истории светло-коричневой окраски у барибалов. Исследователи проверили три возможные гипотезы. Согласно первой из них, мутация, связанная с такой расцветкой, появилась в западной эволюционной линии барибалов после ее разделения с восточной. Вторая гласит, что этот генетический вариант возник до разделения двух линий — но восточные барибалы его утратили. Наконец, третья версия предполагает, что западные барибалы получили мутацию, отвечающую за светлый окрас, в результате гибридизации с бурыми медведями.

На первом этапе Пакетт и ее коллеги проанализировали отражательную способность шерсти 391 барибала и 33 бурых медведей. Оказалось, что у черных барибалов отражательная способность шерсти низкая, а у их светлых сородичей и бурых медведей варьирует в широких пределах. Воспользовавшись методом высокоэффективной жидкостной хроматографии, авторы установили, что характерная окраска светлых барибалов и бурых медведей связана с пониженным производством пигмента эумеланина.

На следующем этапе исследователи отсеквенировали геномы 24 барибалов с тридцатикратным покрытием и 166 особей того же вида — с 1,3-кратным покрытием. В результате они обнаружили, что за различия в окраске у этих животных отвечает ген тирозиназа-ассоциированного белка 1 TYRP1, продукт которого участвует в синтезе эумеланина. У светлых барибалов он представлен аллелью TYRP1^R153C, которая отличается от стандартного варианта одной точечной мутацией — заменой гуанина на аденин. Вероятно, данный вариант распространился в популяции после единственного мутационного события.

Пакетт с соавторами не смогли найти точно такую же мутацию у бурых и белых (U. maritimus) медведей. Однако у примерно 60 процентов бурых медведей была отмечена другая мутация в том же гене — TYRP1^R114C. Интересно, что у людей мутации в гене TYRP1 вызывают глазнокожный альбинизм третьего типа, при котором кожа и волосы приобретают красноватый оттенок, а зрение нарушается (следует отметить, что у медведей мутация в данном гене не вызывает проблем с кожей и зрением). Эксперименты с мышиными меланоцитами, в которые вводили варианты генов TYRP1^R153C и TYRP1^R114C, подтвердили, что оба они связаны со светлой окраской. Судя по всему, обе эти мутации приводят к неправильной укладке производимого белка, что отрицательно сказывается на синтезе и распределении эумеланина.

Изучив отражательную способность шерсти 317 барибалов, исследователи пришли к выводу, что у особей, гомозиготных по аллели TYRP1^R153C, этот показатель максимален. У их сородичей, которые обладают одной аллелью TYRP1^R153C и одним стандартным вариантом того же гена, значение отражательной способности промежуточное. А у медведей с двумя стандартными аллелями отражательная способность шерсти самая низкая. Таким образом, барибалы с двумя стандартными аллелями окрашены в черный цвет, их сородичи с одной стандартной аллелью и одной аллелью TYRP1^R153C — в коричневый цвет, а особи с двумя аллелями TYRP1^R153C — в светло-коричневый цвет.

Затем авторы оценили географическое распространение аллели TYRP1^R153C. Анализ образцов, полученных от 906 барибалов со всей Северной Америки, показал, что носители этого варианта часто встречаются на юго-западе континента, а по мере движения к северу их доля снижается. Напротив, в восточной части ареала данный вариант очень редок. Здесь исследователи обнаружили его только у барибалов из района Великих озер, одного их сородича из штата Коннектикут, а также нескольких особей из штатов Миссури, Арканзас и Оклахома, где живут потомки барибалов, привезенных в 1960 годах из штата Миннесота (он расположен в районе Великих озер). Полученные результаты согласуются с собранными в 1980 годах данными о фенотипической изменчивости барибалов.

Пакетт и ее коллеги не нашли поддержки в пользу идеи, согласно которой барибалы получили гены светлой окраски от бурых медведей. Вместо этого моделирование показало, что вариант TYRP1^R153C возник в западной линии данного вида около 9,36 тысячи лет назад, после чего широко распространился на западе Северной Америки и проник на восток, в том числе в район Великих озер. Вероятно, этот процесс продолжается и сегодня.

Авторы также выяснили, что в западной популяции барибалов аллель TYRP1^R153C действительно находится под действием положительного отбора, хотя и слабого. Иными словами, светлые особи здесь имеют немного больше шансов выжить и оставить потомство. Однако популярные предположения о том, что данный вариант и связанная с ним светлая окраска способствуют терморегуляции или позволяют маскироваться под бурых медведей, не подтвердились. Достоверной связи между распространенностью светлых барибалов и климатом или присутствием бурых медведей найти не удалось. Исследователи высказали альтернативное объяснение, согласно которому барибалам со светлой окраской, особенно медвежатам, может быть легче маскироваться от хищников в разреженных лесах запада Северной Америки.

В заключение Пакетт с соавторами отмечают, что светлый цвет шерсти считается определительным признаком для четырех из шестнадцати подвидов барибалов. Однако, результаты исследования ученых демонстрируют, что такая окраска появилась относительно недавно и продолжает распространяться по ареалу вида. Таким образом, использовать ее для внутривидового разграничения некорректно.

Если медведи-барибалы в Северной Америке светлеют, то местные волки (Canis lupus), наоборот, чернеют. Происходит это из-за вспышек чумки. Дело в том, что генетический вариант, отвечающий за черную окраску волчьей шерсти, также делает носителей устойчивее к инфекционным заболеваниям. Там, где эпизоотии происходят регулярно, например, в Йеллоустонском национальном парке, волкам выгодно спариваться с сородичами с противоположным цветом меха. Так они повышают шанс на рождение гетерозиготных особей, которые смогут пережить заражение чумкой.