Istraživanje genoma mačaka i pasa puno otkriva i o čovjeku. Hoće li pomoći kod liječenja teških bolesti

Remdesivir, lijek koji se koristi u liječenju COVID-19, prvotno je korišten u liječenju mačaka inficiranih drugim tipovima korona virusa, piše Tamara Čačev. Mačke su pomogle u razjašnjavanju inaktivacije X-kromosoma, bitnog otkrića suvremene genetike, važnog kod razumijevanja spolnosti. Ljudi i psi češće nego mačke obolijevaju od tumorskih bolesti, no i one obolijevaju od nekih tipova tumora te je interesantno istražiti koje su to sličnosti i razlike u genomima pasa, mačaka i ljudi koje utječu na pojavu tumora

• Naslovna fotografija iz mjuzikla Cats

• dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

Sigurno znate da se svijet dijeli na ljubitelje pasa i ljubitelje mačaka. O tom klišeu su ispisani mnogi tekstovi čak i ozbiljne psihosocijalne analize profila ličnosti pripadnika jedne i druge skupine. To je dobar uvod u mnoge razgovore i upoznavanja, sofisticiranji surogat pitanja koji si horoskopski znak. Voljela bih na tragu svojeg iskustva potvrditi kako je to nametnuti izbor i predrasuda no, na žalost, ona se potvrđuje i u opsegu istraživanja i pristranosti istraživača koji mahom više vole raditi studije o psima. Razloga je mnogo, od najprozaičnijih da je naprosto s psima lakše raditi, pasmine su jasnije definirane i genetski pročišćenije, do toga da je ciljano tržište vlasnika pasa puno značajnije nego ono vlasnika mačaka. Stoga su istraživanja mačaka potcijenjena iako je primjerice remdesivir, lijek koji se koristi u liječenju COVID-19, prvotno korišten u liječenju mačaka inficiranih drugim tipovima korona virusa.

No, prije nekoliko dana u znanstvenom je časopisu Trends in Genetics izašao članak o tome kako su neke od značajki mačjeg genoma potencijalno korisne i za istraživanja humanog genoma te kako su mačke možda čak pogodniji modelni organizam od tradicionalno korištenih miševa¹. U organizacijskom i strukturalnom smislu genom miša je prilično ispremetan u odnosu na genome ostalih sisavaca te da danas biramo modelni organizam za genetičke studije upitno je bi li nam bio prvi izbor. No, kako smo već puno napravili na miševima oni i dalje ostaju nezamjenjiv model u biomedicini iako se za analize strukture i pakiranja DNA polako okrećemo i drugim modelima, stepenicu iznad u hranidbenom lancu. Prema riječima autorice prije spomenutog teksta, Dr. Lyons (prikladnog li imena) genom mačaka je u organizacijskom smislu sličan genomu čovjeka i njegovim proučavanjem mogli bismo produbiti razumijevanje popriličnog dijela genoma sisavaca, onog koji ne sadrži gene. Stoga se ipak mačkama, domaćim i divljim, nazire bolja budućnost u istraživanju. Štoviše, mačke trenutno vode u sekvenciranju genoma u odnosu na pse jer je prošle godine izašla njegova do sada najdetaljnija sekvenca, no sigurno ne zadugo jer i tim psećih istraživača ne miruje.

No, kako ne biste mislili da je to dokono natjecanje znanstvenika koji neracionalno troše nasljedsvo nekog bogatog paso/mačkoljupca kojem se zamjerila bliža i daljnja rodbina, pokušat ću objektivno prikazati zašto je bitno istraživati genetiku pasa i mačaka. Naravno, većini odmah pada napamet genotipiziranje u uzgojne svrhe, utvrđivanje pripadnosti pasmini, određivanje boje dlake i slične komercijalne primjene koje su danas već uobičajene u ozbiljnom uzgoju. Čovjek je od davnina intervenirao u uzgoj životinja križanjem i selekcijom na određena poželjna svojstva. No, nažalost, zajedno s ciljanim karakteristikama ponekad je išla sklonost obolijevanja od pojedinih bolesti koje su došle na vidjelo zbog križanja jedinki u bliskom srodstvu. Danas nam stoga uspostavljene pasmine sa svojim specifičnim karakteristikama mogu poslužiti i kao modeli za istraživanje bolesti od kojih boluju a prisutne su i u ljudskoj populaciji. Primjerice, ljudi i psi češće obolijevaju od tumorskih bolesti što nije toliko čest slučaj u mačaka. No i one obolijevaju od nekih tipova tumora te je stoga interesantno istražiti koje su to sličnosti i razlike u genomima pasa, mačaka i ljudi koje utječu na pojavu tumora. Poseban problem su populacije divljih mačaka u zološkim vrtovima i rezervatima gdje zbog križanja u bliskom srodstvu dolazi do učestalije pojave nekih tipova tumora, sljepoće, policističnih bubrega i tada nam upravo genomi ovih jedinki mogu pomoći u identifikaciji gena koji su bitni za pojavu ovih bolesti. To je bitna informacija za daljnja križanja u zatočeništvu, ali i komparativno za humanu genetiku. Pri tome valja naglasiti kako istraživanje genoma kućnih ljubimaca ne uključuje nikakve posebne zahvate na životinji osim uzimanja uzoraka krvi ili brisa bukalne sluznice za izolaciju DNA te se temelji na usporedbi s referentnim genomom i analizi veterinarske dokumentacije.

Analizom egipatskih mačjih mumija utvrđeno je kako mačke koje danas nastanjuju egipatske ulice i dalje u značajnoj mjeri nalikuju onima iz faraonskih vremena u odnosu na ostale svjetske mačke. Mačke nam mogu poslužiti i kao izvori informacija o ljudskim migracijama jer su migrirale uz ‘svoje’ ljude. Faraonski pas, za razliku od egipatskih mačaka, ipak nije istovjetan onom iz starog Egipta

Neka su molekularno biološka istraživanja kućnih ljubimaca već dala i korisne rezultate. Nemali broj ljudi je alergičan na, kako se prije mislilo, mačju dlaku, no danas znamo kako se zapravo radi o alergiji na protein Fel d 1 u mačjoj slini, urinu i peruti. Uloga ovog proteina u fiziologiji mačaka još nije razjašnjena ali sada znamo da postoje mačke koje su hipoalergene odnosno izlučuju manje ovog proteina u odnosu na neke druge. Naime, uz notorne mačke bez dlake, manje količine ovog proteina izlučuju i ruske plave mačke, sijamske i javanske mačke. Zna se i da mačići izlučuju manje ovog proteina u odnosu na odrasle mačke. Ženke izlučuju manje količine od nekastriranih mačora dok kastrirani mačori proizvode manje količine ovog proteina. U ženki količina ovog proteina ne ovisi o tome je li mačka sterilizirana ili nije. Ove spoznaje će nam potencijalno biti korisne za ciljani uzgoj mačaka u kojima bi proizvodnja tog proteina bila eliminirana ili svedena na minimum što bi osobama s alergijskim i astmatskim reakcijama na mačke omogućilo da ih ipak imaju za kućne ljubimce. Ovakva intervencija može se činiti bespotrebnom, no nemojmo zaboraviti kako velik broj mačaka bude napušten dijelom i zbog dolaska novog člana obitelji koji je na njih alergičan.

Osim naših suvremenih mačaka istražuju se i genomi mačaka koje su živjele u prošlim vremenima. Tako je analizom mitohondrijske DNA egipatskih mačjih mumija utvrđeno kako mačke koje danas nastanjuju egipatske ulice i dalje u značajnoj mjeri nalikuju onima iz faraonskih vremena u odnosu na ostale svjetske mačke. Mačke nam također mogu poslužiti i kao surogatni izvori informacija o ljudskim migracijama u povijesti čovječanstva jer su kao i psi migrirale uz ‘svoje’ ljude. Tako danas istraživanjem njihovih ostataka ali i danas živučih jedinki možemo doznati ponešto o kretanju ljudi u prošlosti.

Mačke su također protagonisti nekih bitnih otkrića moderne genetike, pomogle su u razjašnjavanju inaktivacije X-kromosoma i fenomena epigenetskog utišavanja ekspresije gena mehanizmom metilacije. Ovaj je fenomen prvotno opisan u mačaka kaliko boje krzna, trobojnim žuto-crno-bijelim mačkama koje su isključivo ženskog spola te ne postoje trobojni mačori osim u rijetkim situacijama mutacija gena koji je uključen u određivanje ovog svojstva. Žute i crne mrlje nastaju diobom stanica u kojima je nasumično u fazi razvoja inaktiviran kromosom X koji nosi varijantu gena za žutu ili crnu boju. Bijeli dijelovi krzna kodirani su drugim genom i tako zapravo dobivamo trobojne ženke. Žuta boja je dominantna u odnosu na crnu no ovdje zapravo imamo heterozigotnu ženku koja na jednom X kromosomu ima varijantu za žutu a na drugom varijantu gena za crnu boju koje su naizmjenično i nasumično inaktivirane u pojedinim mrljama na krznu.

Slika 1. Trobojna mačka koja je pridonijela razumijevanju inaktivacije X kromosoma kod ljudi i ostalih životinja s X-Y sustavom spolnih kromosoma

Do inaktivacije jedne od kopija X kromosoma u ženskim tjelesnim stanicama dolazi kako bi se izbjegao  genetički disbalans naspram muških tjelesnih stanica u kojima je prisutna samo jedna kopija kromosoma X. Naime, kada bi u ženskim stanicama bile aktivne obje kopije gena na oba X kromosoma zapravo bi njihova ekspresija u ženskih jedinki bila pojačana u odnosu na muške jedinke. Kako se to ne bi dogodilo, u ženskim tjelesnim stanicama u organizama čija spolna genetika prati X/Y obrazac spolnih kromomsoma (što u životnja nije uvijek slučaj jer postoje i drugi obrasci) dolazi do nasumične inaktivacije kromosoma X. Ovaj fenomen je nakon specifičnih bojanja vidljiv pod mikroskopom i manifestira se kao prisutnost tzv. Barrovog tjelešca u stanicama XX genotipa (slika 2). Kromosom X u sisavaca sadrži oko 1000 gena, naspram kromosoma Y koji sadrži tek nekolicinu gena koji su potrebni za razvoj muških jedinki. Inaktivacija kromosoma X se odvija mehanizmom hipermetilacije DNA što dovodi do njenog gušćeg pakiranja, čime geni postaju nedostupni mašineriji transkripcije i stoga zapravo utišani i inaktivni. Testiranje prisutnosti Barrovih tjelešaca prvi je puta je korišteno za određivanje spola na Olimpijskim igrama 1968. godine kako bi se ispitalo genetički potencijalno muške atletičare koji bi se natjecali u ženskoj konkurenciji. Tom prilikom nisu uočene nikakve namjerne nepravilnosti no identificiran je sindrom neosjetljivosti na androgene za koji je karakteristično da osobe imaju XY genotip, međutim ženski fenotip zbog defekta androgenih receptora. U takvih je osoba test na prisutnost Barrovih tjelešaca bio negativan iako se radilo o osobama s vanjskim izgledom žene pri čemu one same nisu bile svjesne svojeg genetičkog statusa.

Slika 2. Prisutnost Barrovog tjelešca, zapravo inaktiviranog X kromosoma u tjelesnim stanicama ženske jedinke.  https://www.nature.com/scitable/blog/student-voices/x_chromosome_inactivation_in_the/

Kromosomi mačaka su pogodni za istraživanja jer se lako sortiraju i boje molekularnim tehnikama te stoga i lakše mapiraju u odnosu na neke druge životinjske vrste. Kada se pogleda organizacija gena na kromosomima tada mačke predstavljaju pogodniji model za uspoređivanje s humanim rasporedom gena u odnosu na prije spomenute miševe ali i štakore, pse i svinje. Posebno je to bitno u istraživanjima tzv. genomske tamne tvari, odnosno regija koje ne sadrže kodirajuće sekvence a vjerojatno nisu junk DNA, kako se nekad smatralo, već igraju ulogu u regulaciji geneske ekspresije. Usporedbom kromosomskih regija mačaka kao pogodnijeg modela s kromosomskim regijama čovjeka možda ćemo u bliskoj budućnosti barem djelomično rasvjetliti funkciju ovih regija u genomu. Jedan od takvih primjera je dobiven analizom genetike bijele boje mačaka povezane s nasljednom gluhoćom. Danas znamo da je dominantni oblik gena za bijelu boju koji je ujedno povezan s gluhoćom rezultat insercije 800 parova baza u prvi intron gena KIT. Ovaj primjer pokazuje kako prekid nekodirajuće sekvence gena također može poremetiti njegovu funkciju kao i mutacije kodirajućih dijelova. Za pregled gena koji sudjeluju u određivanju boje, uzoraka i dužine dlake u mačaka preporučam ovaj izvor.

Kako je sekvenciranje čitavog genoma uzelo maha i u veterinarskoj medicini, polako pojmovi poput personaliziranog pristupa liječenju postaju stvarnost i za naše kućne ljubimce, odnosno barem za neke od njih u najrazvijenijim državama poput SAD. Ideja je da se kroz sekvenciranje genoma ljubimca identificira genetička podloga patologije koja se kod njega manifestira pa tako danas zahvaljujući sekvenciranju genoma kućnih mačaka imamo proširenu listu mutacija koje su povezane s neurološkom bolesti Niemann-Pick tipa C. Ova bolest javlja se i u ljudi a radi se o recesivnoj bolesti koja je u osnovi poremećaj funkcije lizosoma čime dolazi do poremećaja transporta kolesterola u stanici. U ljudi je većina mutacija povezanih s ovom bolesti locirana na kromosomu 18 u regiji 18q11 a njoj homologna regija u genomu mačaka nalazi se na kromosomu D3. Upravo se mačji model pokazao kao vrlo koristan za fenotipsku, morfološku i biokemijsku karakterizaciju ove bolesti. Također su u mačaka identificirane neke nove varijante koje nisu identificirane kod ljudi.²

Sekvenciranje cjelokupnog genoma mačaka identificiralo je i novu mutaciju odgovornu za patuljasti rast u genu UGHD koji do sada nije bio povezan s ovakvim fenotipom ni u mačaka ni u ljudi. Pokazalo se kako je ovaj gen uključen u sintezu glikozaminoglikana te je zaključak prošlogodišnje studije provedene na mačkama kako bi ulogu ovog gena bilo potrebno istražiti u ljudi kod kojih nisu pronađene mutacije otprije poznatih gena koji uzrokuju patuljasti rast.³

Danas su komercijalno dostupni genetički testovi za čitav niz svojstava i nasljednih bolesti mačaka pojedinih pasmina te je tek dio njih priakzan u tablici 1.

Tablica 1. Različiti komercijalno dostupni genetički testovi za mačke.

Interes za istraživanja genetike pasa puno je veći te je projekt sekvenciranja njihovog genoma započeo već tijekom devedesetih. Psi imaju 38 parova kromosoma te kromosome X i Y. Prvi rezultati analize 80% genoma pudlice objavljeni su 2003. godine nakon čega je uslijedio i čitavi genom boksera koji danas služi kao referentna sekvenca za pasji genom.

Većina pasmina koje danas poznajemo nastala je u Europi tijekom 19. stoljeća i to počesto iz matičnih skupina jedinki s ograničenom genetičkom raznolikošću zbog križanja jedinki u bliskom srodstvu. To je i razlog zašto je u rasnih pasa prisutnost različitih nasljednih bolesti puno češća nego u mješanaca. S genetičkog stanovišta interesantno je i to kako istovremeno imamo i ogromne harlekinske doge i sičušne čivauve koje iako ne nalikuju nimalo jedne drugima čine istu vrstu. Psi su se također puno ranije nego mačke počeli koristiti za istraživanja tumorskih bolesti, gluhoća, epilepsija, dijabetesa te srčanih bolesti u nadi da ćemo kroz pomaganje psima pomoći i samima sebi u rasvjetljavanju ovih patologija.

Tek je mali broj pasmina s nama od najranijih vremena poput hrtova ili malteške pasmine faraonskih goniča koja se naziva i faraonskim psom jer nalikuje onima na freskama iz egipatskih grobnica. Ipak, analiza genoma je pokazala da faraonski pas, za razliku od egipatskih mačaka, ipak nije istovjetan onom iz starog Egipta pa se temeljem srednjevjekovnih zapisa i slika na kojima je prikazan u scenama lova na zečeve najranije može datirati u ovo razdoblje. Nekada se pripadnost nekoj od 150-tak pasmina definirala prvenstveno na temelju vanjskog izgleda te rodoslovlja koje je moralo biti čistokrvno. Danas se za potvrdu pripadnosti određenoj pasmini u vrhunskom uzgoju koriste genetički biljezi kojima se potvrđuje pripadnost pasmini kao i očinstvo koristeći iste tehnologije koje koristimo i u humanoj forenzici i sudskoj medicini. Temeljem ovakvih analiza uspostavljen je i novi klasifikacijski sustav pasmina s četiri osnovna klastera. Prvi klaster obuhvaćaju psi azijskog i afričkog porijeka koji se smatraju najstarijim lozama kao i sivi vuk. Drugi klaster čine pasmine u tipu mastifa, veliki, nabiti psi kockastih glava. Treći i četvrti klaster čine ovčari i goniči. Svrstavanje pasmina u ovakve klastere ima bitnu ulogu u daljnjim analizama njihovog genoma jer se u pojedinim klasterima grupiraju i bolesti koje su katakteristične za pasmine nekog klastera.

Nakon što je sastavljena prva detaljnija sekvenca genoma pasa iznenađenje je bilo da se u njemu nalazi veliki broj tzv. SINE elemenata i to u regijama gdje mogu utjecati na ekspresiju gena. Primjerice takav je element identificiran u genu koji kodira za protein bitan za funkciju hipokampusa a čija neprimjerena funkcija izaziva narkolepsiju kod dobermana.

Jako cijenjen ‘merle’ uzorak krzna prepoznatljiv kod primjerice velških korgi Cardigana a kojeg karakteriziraju slojevi svijetlije boje osnovnog pigmenta pomiješanog s normalnim melaninom također je rezultat insercije SINE elementa u gen SLIV (PMEL17) koji je odgovoran za pigmentaciju (Slika 3). Do ovakve varijacije u pigmentaciji dolazi jer u stanicama gdje je prisutan ovaj element ne dolazi do ekspresije jednog od pigmenata. Nažalost ovaj uzorak boje krzna povezan je i sa problemima u reproduktivnom, skeletnom i srčanom sustavu. Također je prisutna gluhoća i povišeni krvni tlak te ovaj uzorak u patološkim promjenama kod pasa u mnogome nalikuje Waardenburgovom sindromu u ljudi.

Slika 3. Merle uzorak krzna velškog korgi Cardigana.

Od nasumičnog križanja i selekcije u cilju dobivanja specifičnog izgleda pasa i mačaka prešli smo popriličan put u razumijevanju njihove genetike. No, još uvijek puno toga ne znamo, primjerice zašto goniči gone a ovčari sakupljaju svoje stado, ili barem članove obitelji vlasnika grickajući ih lagano za nožne zglobove. Poznavanje genoma kućnih ljubimaca pomoći će nam da u daljnim selekcijama pokušamo razdvojiti patološke promjene vezane uz neku vrstu od njenih vanjskih karakteristika, a identifikacija mutacija vezanih uz bolesti koje su prisutne i u ljudskoj populaciji bit će od koristi i u biomedicinskim istraživanjima. Neke buduće generacije možda će dobiti odgovor i na pitanje zašto su se od svih životinja psi i mačke najviše socijalizirali s našom vrstom u međusobnom odnosu koji se ne svodi isključivo na to da ih mi eksploatiramo a oni od nas dobivaju hranu i sklonište te nas, u slučaju pasa (jer mačkama je više-manje svejedno) bezuvjetno obožavaju.

Literatura:

• Leslie A. Lyons (2021). Cats – telomere to telomere and nose to tail. Trends in genetics (in press)
• Mauler DA, Gandolfi B, Reinero CR i sur (2017) Precision Medicine in Cats: Novel Niemann-Pick Type C1 Diagnosed by Whole-Genome Sequencing. Journal of Veterinary Internal Medicine 31:539-544
• Buckley RM, Davis BW, Brashear WA i sur (2020) A new domestic cat genome assembly based on long sequence reads empowers feline genomic medicine and identifies a novel gene for dwarfism. PLoS Genet 16(10): e1008926