Нижняя конечность состоит из бедра, голени и ступни. Кости нижней конечности — это бедренная кость (бедренная кость), надколенник (коленная чашечка), большеберцовая и малоберцовая кости (кости голени), предплюсны (кости голеностопного сустава), плюсневые кости и фаланги (кости стопы) (рис. 19.14). ). Кости нижних конечностей толще и прочнее, чем кости верхних конечностей, из-за необходимости выдерживать весь вес тела и возникающие в результате силы передвижения.Помимо эволюционной приспособленности, кости человека будут реагировать на действующие на них силы.

Бедренная кость или бедренная кость — самая длинная, тяжелая и крепкая кость в организме. Бедренная кость и таз на проксимальном конце образуют тазобедренный сустав. На дистальном конце бедро, голень и надколенник образуют коленный сустав.Коленная чашечка , или коленная чашечка, представляет собой треугольную кость, расположенную перед коленным суставом. Надколенник врастает в сухожилие разгибателей бедра (четырехглавой мышцы). Улучшает разгибание колена за счет уменьшения трения. большеберцовая кость , или большеберцовая кость, представляет собой большую кость ноги, которая расположена непосредственно под коленом. Большеберцовая кость сочленяется с бедренной костью на ее проксимальном конце, с малоберцовой костью и костями предплюсны на ее дистальном конце. Это вторая по величине кость в человеческом теле, которая отвечает за передачу веса тела от бедренной кости к стопе. Малоберцовая кость , или кость теленка, параллельна и сочленяется с большеберцовой костью. Он не сочленяется с бедренной костью и не выдерживает нагрузки. Малоберцовая кость действует как место прикрепления мышц и образует боковую часть голеностопного сустава.

предплюсны — это семь костей лодыжки. Голеностопный сустав передает вес тела от большеберцовой и малоберцовой костей стопе. плюсневые кости — это пять костей стопы. Фаланги — это 14 костей пальцев ног.Каждый палец состоит из трех фаланг, за исключением большого пальца, у которого их всего две (рис. 19.15). Вариации существуют и у других видов; например, пястные кости и плюсны лошади ориентированы вертикально и не соприкасаются с субстратом.

Эволюция конструкции тела для передвижения по суше

Переход позвоночных на сушу потребовал ряда изменений в конструкции тела, поскольку передвижение по суше представляет ряд проблем для животных, которые приспособлены к перемещению в воде.Плавучесть воды обеспечивает определенную подъемную силу, и обычная форма движения рыб — это боковые колебания всего тела. Это движение вперед и назад толкает тело к воде, создавая движение вперед. У большинства рыб мышцы парных плавников прикрепляются к поясам внутри тела, что позволяет в некоторой степени контролировать передвижение. Когда некоторые рыбы начали перемещаться на сушу, они сохранили свою боковую волнообразную форму передвижения (anguilliform). Однако вместо того, чтобы отталкиваться от воды, их плавники или ласты стали точками контакта с землей, вокруг которых они вращались.

Эффект силы тяжести и отсутствие плавучести на суше означало, что вес тела был подвешен на конечностях, что привело к усилению их укрепления и окостенения. Влияние силы тяжести также потребовало изменений осевого каркаса. Боковые волны позвоночника наземных животных вызывают деформацию скручивания. Более твердый и окостеневший позвоночный столб стал обычным явлением у наземных четвероногих, потому что он снижает напряжение, обеспечивая при этом силу, необходимую для поддержания веса тела.У более поздних четвероногих позвонки стали допускать вертикальное движение, а не боковое сгибание. Еще одним изменением осевого скелета была потеря прямого соединения грудного пояса с головой. Это уменьшило сотрясение головы, вызванное ударами конечностей о землю. Позвонки шеи также эволюционировали, чтобы позволить голове двигаться независимо от тела.

Аппендикулярный скелет наземных животных также отличается от водных животных. Плечи прикрепляются к грудному поясу через мышцы и соединительную ткань, уменьшая таким образом сотрясение черепа. Из-за бокового волнистого позвоночного столба у ранних четвероногих конечности были растопырены в стороны, и движение происходило при выполнении «отжиманий». Позвонки этих животных должны были двигаться из стороны в сторону так же, как у рыб и рептилий. Этот тип движения требует больших мышц для перемещения конечностей к средней линии; это было почти как ходьба во время отжимания, и это неэффективное использование энергии. У более поздних четвероногих конечности помещают под туловище, так что каждый шаг требует меньшего усилия для продвижения вперед.Это привело к уменьшению размера приводящей мышцы и увеличению диапазона движений лопаток. Это также ограничивает движение в основном одной плоскостью, создавая движение вперед, а не движение конечностей вверх или вперед. Бедро и плечевая кость также были повернуты, так что концы конечностей и пальцев были направлены вперед, в направлении движения, а не в стороны. При размещении под телом конечности могут качаться вперед, как маятник, для достижения более эффективного шага при движении по земле.

Резюме

Три типа конструкций скелетов — это гидростатические скелеты, экзоскелеты и эндоскелеты. Гидростатический каркас состоит из заполненного жидкостью отсека, находящегося под гидростатическим давлением; движение создается мышцами, оказывающими давление на жидкость. Экзоскелет — это твердый внешний скелет, который защищает внешнюю поверхность организма и позволяет двигаться с помощью мышц, прикрепленных к внутренней части. Эндоскелет — это внутренний скелет, состоящий из твердой минерализованной ткани, который также обеспечивает движение за счет прикрепления к мышцам.Скелет человека — это эндоскелет, состоящий из осевого и аппендикулярного скелета. Осевой скелет состоит из костей черепа, косточек уха, подъязычной кости, позвоночника и грудной клетки. Череп состоит из восьми черепных костей и 14 лицевых костей. Шесть костей составляют косточки среднего уха, а подъязычная кость расположена на шее под нижней челюстью. Позвоночный столб состоит из 26 костей, он окружает и защищает спинной мозг. Грудная клетка состоит из грудины, ребер, грудных позвонков и реберных хрящей.Аппендикулярный скелет состоит из конечностей верхних и нижних конечностей. Грудной пояс состоит из ключиц и лопаток. Верхняя конечность состоит из 30 костей руки, предплечья и кисти. Тазовый пояс прикрепляет нижние конечности к осевому каркасу. Нижняя конечность включает кости бедра, голени и стопы.

Упражнения

1. Какое из следующих утверждений о костной ткани неверно?
   1. Компактная костная ткань состоит из цилиндрических остеонов, которые выровнены так, что проходят по длине кости.
   2. Гаверсовские каналы содержат только кровеносные сосуды.
   3. Гаверсовские каналы содержат кровеносные сосуды и нервные волокна.
   4. Губчатая ткань находится на внутренней стороне кости, а компактная костная ткань находится на внешней стороне.
2. Предплечье состоит из:
   1. лучевая и локтевая кости
   2. Лучевая и плечевая кость
   3. локтевая и плечевая кости
   4. плечевая и запястье
3. Грудной пояс состоит из:
   1. ключица и грудина
   2. Грудина и лопатка
   3. ключица и лопатка
   4. ключица и копчик
4. Все следующие группы позвонков, кроме ________, который является искривлением.
   1. грудной
   2. шейный
   3. поясничный
   4. таз
5. Что из этого является лицевой костью?
   1. передний
   2. затылочная
   3. слезное
   4. височная
6. Каковы основные различия между мужским тазом и женским тазом, позволяющие рожать у женщин?
7. Каковы основные различия между тазовым поясом и грудным поясом, которые позволяют тазовому поясу выдерживать вес тела?

Ответы

1. В
2. А
3. С
4. D
5. С
6. Женский таз наклонен вперед и шире, легче и мельче, чем мужской таз.Он также имеет лобковый угол, который шире мужского таза.
7. Тазовый пояс надежно прикреплен к телу прочными связками, в отличие от грудного пояса, который редко прикрепляется к грудной клетке. Гнезда тазового пояса глубокие, что позволяет бедренной кости быть более устойчивой, чем грудной пояс, у которого есть неглубокие гнезда для лопатки. У большинства четвероногих 75 процентов веса приходится на передние ноги, потому что голова и шея очень тяжелые; Преимущество плечевого сустава — больше степеней свободы движений.

Глоссарий

похищение

, когда кость отходит от средней линии тела

актин

глобулярный сократительный белок, который взаимодействует с миозином для сокращения мышц

аппендикулярный скелет

состоит из костей верхних конечностей, которые служат для захвата предметов и манипулирования ими, и нижних конечностей, которые обеспечивают передвижение.

шарнирное соединение

любое место, где соединяются две кости

слуховая косточка

(также среднее ухо) преобразует звуки из воздуха в колебания в заполненной жидкостью улитке

осевой каркас

образует центральную ось тела и включает кости черепа, косточки среднего уха, подъязычную кость горла, позвоночный столб и грудную клетку (грудную клетку)

Ремоделирование кости

Замена старой костной ткани новой костной тканью

кость

(также костная ткань) соединительная ткань, составляющая эндоскелет

запястье

восемь костей, составляющих запястье

ключица

S-образная кость для бокового позиционирования рук

компактная кость

образует твердый внешний слой всех костей

коксальная кость

бедренная кость

черепная кость

Одна из восьми костей, образующих полость черепа, которая охватывает головной мозг и служит местом прикрепления мышц головы и шеи

диафиз

центральный стержень кости, содержащий костный мозг в костномозговой полости

эндоскелет

Скелет живых клеток, образующих твердую минерализованную ткань, расположенную в мягких тканях организмов

эпифизарная пластина

Область между диафизом и эпифизом, отвечающая за продольный рост длинных костей

эпифиз

Закругленный конец кости, покрытый суставным хрящом и заполненный красным костным мозгом, который производит клетки крови

экзоскелет

Внешний скелет секретируемого клеточного продукта, который состоит из твердой оболочки на поверхности организма

добавочный

движение, при котором угол между костями сустава увеличивается; противоположно сгибанию

лицевая кость

одна из 14 костей, образующих лицо; обеспечивает полости для органов чувств (глаза, рот и нос) и точки крепления лицевых мышц

бедренная кость

(также бедренная кость) самая длинная, самая тяжелая и самая крепкая кость в теле

малоберцовая кость

(также телячья кость) параллельна и сочленяется с большеберцовой костью

плоская кость

тонкая и относительно широкая кость, обнаруженная там, где требуется обширная защита органов или где требуются широкие поверхности прикрепления мышц

сгибание

движение, при котором угол между костями уменьшается; напротив добавочного номера

предплечье

простирается от локтя до запястья и состоит из двух костей: локтевой кости и лучевой кости

Гаверсский канал

содержит кровеносные сосуды и нервные волокна кости

плечевой кости

только кость руки

гидростатический каркас

Каркас, состоящий из водной жидкости, находящейся под давлением в закрытом отделении тела

подъязычная кость

лежит ниже нижней челюсти в передней части шеи

шарнир

точка, в которой две или более кости встречаются

пластина

Слой плотной ткани, окружающий центральный канал, называемый гаверсовским каналом

длинная кость

Кость, длина которой превышает ширину, имеет стержень и два конца

нижняя конечность

состоит из бедра, голени и стопы

пясть

пять костей, составляющих ладонь

плюсна

одна из пяти костей стопы

миофибриллы

длинные цилиндрические структуры, расположенные параллельно мышечным волокнам

миозин

сократительный белок, который взаимодействует с актином для сокращения мышц

костная ткань

Соединительная ткань, составляющая эндоскелет

окостенение

(также остеогенез) процесс образования кости остеобластами

остеобласт

Костная клетка, отвечающая за формирование кости

остеокласт

крупные костные клетки с числом ядер до 50, отвечающие за ремоделирование кости

остеон

Цилиндрическая структура, выровненная параллельно длинной оси кости

надколенник

(также коленная чашечка) треугольная кость, расположенная впереди коленного сустава

грудной пояс

кости, передающие силу, создаваемую верхними конечностями, на осевой скелет

тазовый пояс

кости, передающие силу, создаваемую нижними конечностями, на осевой скелет

фаланга

одна из костей пальцев рук или ног

удлинение

переднее движение кости в горизонтальной плоскости

радиус

кость, расположенная вдоль боковой (большой) стороны предплечья; сочленяется с плечевой костью в локте

ребро

Одна из 12 пар длинных изогнутых костей, которые прикрепляются к грудным позвонкам и изгибаются к передней части тела, образуя грудную клетку

лопатка

Плоская треугольная кость, расположенная в области заднего грудного пояса

череп

кость, которая поддерживает структуры лица и защищает мозг

грудины

(также грудина) длинная плоская кость, расположенная в передней части грудной клетки

шовный

короткое волокно из соединительной ткани, которое плотно удерживает кости черепа на месте; найдено только в черепе

симфиз

гиалиновый хрящ покрывает конец кости, но соединение между костями происходит через волокнистый хрящ; симфизы находятся в суставах между позвонками

лапка

одна из семи костей голеностопного сустава

грудная клетка

(также грудная клетка) скелет грудной клетки, состоящий из ребер, грудных позвонков, грудины и реберных хрящей

голень

(также берцовая кость) большая кость голени, расположенная непосредственно под коленом

тропомиозин

блокирует сайты связывания миозина на молекулах актина, предотвращая образование поперечных мостиков и предотвращая сокращение до тех пор, пока мышца не получит сигнал нейрона

локтевая кость

Кость, расположенная на медиальной стороне (со стороны мизинца) предплечья

позвоночник

(также позвоночник) окружает и защищает спинной мозг, поддерживает голову и действует как точка крепления для ребер и мышц спины и шеи

Обнаружение черепа «Человека-дракона» в Китае может добавить вид в генеалогическое древо человека

Ученые в пятницу объявили, что массивный окаменелый череп возрастом не менее 140000 лет является новым видом древнего человека, открытие, которое потенциально может изменить преобладающее взгляды на то, как — и даже где — эволюционировал наш вид, Homo sapiens.

Череп принадлежал зрелому мужчине с огромным мозгом, массивными надбровными дугами, глубоко посаженными глазами и выпуклым носом. Он прятался в заброшенном колодце 85 лет после того, как рабочий наткнулся на него на строительной площадке в Китае.

Исследователи назвали новый вид Homo longi и дали ему прозвище «Человек-Дракон» в честь региона реки Дракон на северо-востоке Китая, где был обнаружен череп.

Команда заявила, что Homo longi, а не неандертальцы, были вымершим человеческим видом, в основном тесно связанным с нашим собственным.Если это подтвердится, это изменит представление ученых о происхождении Homo sapiens, которое создавалось годами на основе открытий окаменелостей и анализа древней ДНК.

Но ряд экспертов оспорили этот вывод, опубликованный в трех статьях, в которых впервые был дан подробный обзор окаменелости. Тем не менее, многие все еще думали, что находка может помочь ученым восстановить генеалогическое древо человека и то, как появились современные люди.

Все эксперты, изучавшие данные в исследованиях, сказали, что это великолепное ископаемое.

«Это красивая вещь, — сказал Джон Хоукс, палеоантрополог из Университета Висконсин-Мэдисон. «Очень редко можно найти такую ​​окаменелость с хорошим лицом. Вы мечтаете найти это ».

В 1933 году рабочий, работавший на строительстве моста в Харбине, обнаружил необычный череп. Вполне вероятно, что этот человек, имя которого не разглашает его семья, признал, что он нашел важный с научной точки зрения образец. Всего четыре года назад исследователи обнаружили еще один человеческий череп по прозвищу Пекинский человек недалеко от Пекина.Казалось, что он связал людей Азии с их эволюционными предшественниками.

Вместо того, чтобы передать новый череп японским властям, которые в то время оккупировали северо-восток Китая, рабочий предпочел спрятать его. Он никому не упоминал череп в течение десятилетий. В отчете об открытии окаменелости авторы новых статей предположили, что ему было стыдно за то, что он работал на японцев.

Незадолго до своей смерти в 2018 году рабочий рассказал своей семье об окаменелости.Они пошли к колодцу и нашли его. Семья подарила его Геофизическому музею Университета Хэбэй GEO, где ученые сразу же убедились, что он прекрасно сохранился.

В опубликованных в пятницу бумагах исследователи утверждали, что Homo longi, похоже, был взрослым человеком огромных размеров. Его щеки были плоскими, а рот широким. Нижняя челюсть отсутствует, но исследователи делают вывод из верхней челюсти Человека-Дракона и других ископаемых человеческих черепов, что у него, вероятно, не было подбородка.Говорят, что его мозг был примерно на 7 процентов больше, чем средний мозг живого человека.

Исследователи утверждают, что комбинация анатомических особенностей Человека-Дракона не обнаруживается ни у одного из ранее названных видов гомининов, линии двуногих обезьян, которые расходились с другими африканскими обезьянами . Позже они превратились в виды с более крупным мозгом, которые подготовили почву для распространения Homo sapiens по всему земному шару.

«Он достаточно самобытный, чтобы относиться к другому виду», — сказал Кристофер Стрингер, палеоантрополог из Музея естественной истории в Лондоне и соавтор двух из трех статей о Человеке-Драконе.

Ученые проанализировали химический состав окаменелости и определили, что ей не менее 146 000 лет, но не более 309 000 лет.

Сегодня на планете обитает только один вид гомининов — Homo sapiens. Но Человек-Дракон существовал в то время, когда сосуществовали несколько совершенно разных видов гомининов, включая Homo erectus — высокого человека с размером мозга в две трети нашего собственного, а также крошечных гомининов, включая Homo naledi из Южной Африки, Homo floresiensis в Индонезии и Homo luzonensis на Филиппинах.

Самые старые окаменелости Homo sapiens также датируются этим временем. Неандертальцы, у которых был наш большой мозг и изощренное мастерство инструментов, находились от Европы до Центральной Азии в период, когда, возможно, жил Человек-Дракон.

В последние годы исследования ископаемой ДНК также выявили еще одну человеческую родословную этого периода — денисовцев. ДНК в основном была получена из изолированных зубов, отколотых костей и даже грязи. Этих останков недостаточно, чтобы показать, как выглядели денисовцы.

Самая многообещающая из найденных окаменелостей, которая может свидетельствовать о существовании денисовцев, была обнаружена в пещере в Тибете: массивная челюсть с двумя крепкими коренными зубами, возраст которой составляет не менее 160 000 лет. В 2019 году ученые выделили белки из челюсти, и их молекулярный состав предполагает, что они принадлежали денисовцу, а не современному человеку или неандертальцу.

Это молекулярное свидетельство — в сочетании с свидетельством окаменелостей — предполагает, что общие предки Homo sapiens, неандертальцев и денисовцев жили 600 000 лет назад.

Наша родословная разделилась сама по себе, а затем 400 000 лет назад неандертальцы и денисовцы разошлись. Другими словами, неандертальцы и денисовцы были нашими ближайшими вымершими родственниками. Они даже скрещивались с предками современных людей, и сегодня мы носим кусочки их ДНК.

Но многие загадки все еще существуют на этом этапе истории человечества, особенно в Восточной Азии. За последние несколько десятилетий палеоантропологи обнаружили ряд окаменелостей, многие из которых были неполными или поврежденными, которые имеют некоторые особенности, которые делают их похожими на наш собственный вид, и другие особенности, которые предполагают, что они принадлежат другому месту на генеалогическом древе гомининов.

Катерина Харвати, палеоантрополог из Тюбингенского университета в Германии, не участвовавшая в новом исследовании, сказала, что череп Человека-Дракона может «помочь прояснить некоторую путаницу».

Чтобы выяснить, как Homo longi вписывается в генеалогическое древо человека, ученые сравнили его анатомию с 54 окаменелостями гомининов. Исследователи обнаружили, что он принадлежит к линии, которая включает челюсть в Тибете, которая была идентифицирована как денисовец.

Череп был даже больше похож на часть черепа, обнаруженного в 1978 году в китайском графстве Дали, возрастом 200 000 лет.Некоторые исследователи думали, что окаменелость Дали принадлежит к нашему собственному виду, в то время как другие думали, что она принадлежит к более древнему происхождению. Третьи даже назвали окаменелость новым видом Homo daliensis.

Авторы новых исследований утверждают, что Человек-Дракон, тибетская челюсть и череп Дали принадлежат к одной линии — той, которая является ближайшей ветвью к нашему собственному виду. Несмотря на то, что Homo longi имел отличительные черты, он также имел общие черты с нами, такие как плоское лицо, спрятанное под лбом, а не выступающее вперед, как это было у неандертальцев.

«Широко распространено мнение, что неандерталец принадлежит к вымершей линии, которая является ближайшим родственником нашего собственного вида. Однако наше открытие предполагает, что новая линия, которую мы идентифицировали, которая включает Homo longi, на самом деле является сестринской группой H. sapiens », — сказал Сиджун Ни, соавтор исследований и палеоантрополог из Китайской академии наук и Университета ГЕО Хэбэй. в выпуске новостей.

Эти выводы вызывают споры среди палеоантропологов, включая авторов новых статей.

Некоторые споры касаются того, как называть Человека-Дракона. Ученые следуют строгим правилам присвоения имен новым видам. Это потребовало бы, чтобы Человек-Дракон разделил имя с черепом Дали, если они так похожи, как утверждают авторы.

«На мой взгляд, это особый вид, который я бы предпочел назвать Homo daliensis», — сказал д-р Стрингер.

Другие эксперты полагали, что сходство тибетской челюсти с денисовскими белками и черепа из Харбина указывает на настоящую личность Человека-Дракона.

«Когда я впервые увидел изображение окаменелости, я подумал, что теперь мы наконец знаем, как выглядели денисовцы», — сказал Филипп Гунц, палеоантрополог из Института эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, Германия.

Карен Бааб, палеоантрополог из Университета Среднего Запада в Аризоне, согласна: «Харбин лучше воспринимается как денисовец».

Набор подсказок указывает на этот путь. Зуб на верхней челюсти Человека-Дракона такой же массивной формы, как и зуб на денисовской челюсти, найденный, например, в Тибете.У обоих отсутствует третий моляр. Человек-Дракон также жил в Азии в то время, когда денисовский ДНК говорит нам, что они были в том же месте.

Даже если Человек-Дракон — денисовец, нужно будет решить больше головоломок. ДНК денисовцев ясно показывает, что их ближайшими родственниками были неандертальцы. Новое исследование, основанное на анатомии окаменелостей, указывает на то, что Homo longi и Homo sapiens более тесно связаны друг с другом, чем с неандертальцами.

«Я думаю, что генетические данные в этом случае более надежны, чем морфологические данные», — сказал Бенце Виола, палеоантрополог из Университета Торонто, который не принимал участия в новом исследовании.

«Очевидно, что-то не совпадает», — признал доктор Стрингер. «Важным является признание третьего человеческого происхождения в Восточной Азии с его собственным отличительным сочетанием черт».

Один из способов разгадать тайну Человека-Дракона — получить ДНК из его замечательного черепа. Доктор Стрингер сказал, что готов к новым сюрпризам.

«Это будет более сложный сюжет».

Хэллоуинские скелеты и черепа — украшения скелетов

Хэллоуинские скелеты, черепа и украшения скелетов: кладбище оживает

Хэллоуинские украшения, за которые стоит умереть! Ни одна сцена кладбища не обходится без висящих на Хеллоуин скелетов, реалистичных человеческих черепов и инкрустированных черепами готических заборов, от которых дрожат до костей у гостей, осмелившихся пройти мимо.Здесь вы найдете все, что связано с хеллоуинскими скелетами и хэллоуинскими черепами: реквизит для скелетов в натуральную величину, анимированные скелетные реквизиты, играющие на инструментах для танца мертвых, светящиеся в темноте и освещающие скелеты на лужайке, а также светящиеся черепа. , поговорить или просто подать кексы в буфете.

Не позволяйте своему кладбищу превратиться в кладбище плохих идей и дешевого реквизита. Мы предлагаем тематические вечеринки с черепами и скелетами для детей, аварийные огни с черепами, кружки с черепами и кувшины и многое другое, но реалистичный реквизит — самые большие звезды шоу.Единственная тема сверху вниз на этой странице касается скелетов и черепов Хэллоуина — реквизита для подвешивания к стропилам, черепа, чтобы стоять, наблюдая за разворотом вечеринки в честь Хэллоуина, вкладышей для кексов с рисунком черепа для угощений и приглашений с принтом черепов для отправки для гостей вечеринки. С более чем 100 украшениями, атрибутами и товарами в виде черепа и скелетов вы можете сначала почувствовать себя ошеломленным и ошеломленным, но просто сделайте вдох и медленно пролистайте страницу … Эта коллекция была тщательно организована, чтобы дать вам любой вид Скелет и череп на Хэллоуин, которые могут вам понадобиться для реконструированного кладбища, дома с привидениями или для подготовки к вечеринке на Хэллоуин.Сокровище костей Хэллоуина!

Кто может устоять? Мы знаем, что вам нравится Хэллоуин так же, как и нам (зачем нам еще быть здесь), поэтому, чтобы помочь вам воссоздать лучший ландшафт кладбища по доступной цене или идеально скоординировать вашу вечеринку с украшениями дома и двора, мы » Мы создали эту страницу со скелетами и черепами Хэллоуина, а также страницы почти с дюжиной других популярных тем Хэллоуина: пауки, дом с привидениями, страшные тыквы и многое другое. Просмотрите их все и вдохновитесь!

Генетика вариаций формы черепа собак

Abstract

Черепно-лицевое разнообразие собак является результатом постоянного вмешательства человека в естественный отбор, процесс, который начался десятки тысяч лет назад.На сегодняшний день мы мало знаем о генетических основах и механизмах развития, которые делают черепа собак такими морфологически пластичными. В этом обзоре Perspectives мы обсуждаем происхождение форм собачьих черепов с точки зрения истории и биологии и подчеркиваем недавние достижения в понимании генетики форм собачьих черепов. Особый интерес представляют те молекулярно-генетические изменения, которые связаны с развитием отдельных пород.

Когда-то в палеолите произошла замечательная трансформация.Небольшое количество серых волков усыновили нового хозяина стаи — людей. В процессе приручения появилась современная собака. Сегодня большинство собак мало похожи на своих предков-люпинов. В результате искусственного отбора собаки излучали излучение, заполняя ниши в нашей жизни, становясь нашими пастухами, опекунами, охотниками, спасателями и товарищами (Wilcox and Walkowicz 1995). Разнообразие размеров среди собак выходит за рамки размеров волков, что дает собакам право считаться наиболее морфологически разнообразными из известных видов наземных млекопитающих (Stockard, 1941).Столь же драматичным по сравнению с человеческим воздействием на масштабы является влияние на черты лица собаки, особенно на череп (рис. 1).

Монтаж черепно-лицевой формы собаки демонстрирует невероятное морфологическое разнообразие Canis knownis . Дорсальные, боковые и вентральные перспективы различных пород собак. Виды сбоку составлены таким образом, что основание черепа (красная линия, волк) у разных пород примерно параллельно. Заметные различия между породами включают форму неба (p, обозначена белыми точками), форму нейрокраниума (nc, обведено синими точками), длину основания черепа (cb, красная линия).Также обратите внимание на угол неба относительно основания черепа.

Учитывая его известность как признака приручения и указание на идентичность породы, мы посвящаем оставшуюся часть этого обзора обсуждению нашего нынешнего понимания разнообразия черепов собак и его механистических оснований, связанных с одомашниванием, генетикой и болезнями. Несмотря на то, что мы делаем все возможное, чтобы наше обсуждение было сосредоточено на черепе, многие из затронутых тем имеют отношение к другим признакам, которые отличают разные породы собак, как и геномные методы, используемые в настоящее время для картирования и проверки причинно-следственных генетических вариаций, лежащих в основе морфологии черепа.В таких ситуациях мы, по необходимости, расширили наше обсуждение, чтобы оно оставалось инклюзивным.

Вариация формы черепа и одомашнивание собак

Оценки молекулярных часов по митохондриальной ДНК предполагают, что одомашнивание началось уже 135 000 лет назад (Vilà et al. 1997). Более консервативные оценки основаны на археологических записях, которые показывают, что одомашнивание собак началось где-то между 15 000 и 36 000 лет назад (см. Резюме Ларсона и др. 2012).Текущие археологические оценки зависят от углеродного датирования костей, морфология которых отличается от морфологии современных волков. Во многих случаях эти различия выражены как в черепе, так и в его зубных рядах. Это говорит о том, что у начинающих собак череп был на переднем крае нескольких анатомических изменений, которые могли трансформировать волков. Например, доисторические черепа собак, раскопанные в России, принадлежали массивным животным с укороченной мордой и расширенным нёбом (Саблин, Хлопачёв, 2002).В других местах древние собаки были меньше волков (Napierala and Uerpmann 2010).

Как и другие крупные домашние животные, современные собаки демонстрируют увеличенное соотношение размеров мозга и тела (так называемая энцефализация). Тем не менее, общий размер мозга собак по сравнению с мозгом волков уменьшился почти на 30% (Coppinger and Schneider 1995; Zeder 2012). Это снижение особенно сильно проявляется в лимбической системе, которая является неотъемлемой частью реакции «бей или беги» (Coppinger and Schneider 1995; Zeder 2012). Таким образом, одомашнивание могло привести к сокращению участков мозга волка, что сделало возможным переносимость контакта с людьми.Вероятно, форма черепа изменилась в ответ на изменения морфологии мозга. В качестве доказательства принципа, в течение 40 лет, которые потребовались для приручения чернобурки, в хорошо задокументированном эксперименте, проведенном в Новосибирске, Россия, изменения размеров черепа, среди других морфологических особенностей, также были отмечены как корреляты приручения (Трут 1999; Зедер 2012).

Некоторые сравнивали собак с педоморфами-волками, предполагая, что собаки — это юные волки, у которых развитие ограничено в поведении и физическом созревании (Gould 1977; Wayne 1986; Coppinger and Coppinger 2001; Drake and Klingenberg 2010; Drake 2011).Даже во взрослом возрасте огромное количество современных пород демонстрируют некоторую задержку роста, подобную неотении волков. За некоторыми исключениями, современные породы собак меньше по размеру и имеют морды и черепа, которые пропорционально средние по сравнению с новорожденными и взрослыми волками.

Тем не менее, идея о том, что педоморфизм является основной движущей силой черепно-лицевой изменчивости у собак, не лишена противоречий. Некоторые характеристики черепа, такие как угол между небом и нейрокранием, кажутся статичными во время развития волка, тогда как у собак угол существенно отличается от угла у волков на протяжении всего развития, что позволяет сделать вывод, что форма черепа собаки неоморфна (Drake 2011). .Этот спор может быть разрешен только путем развития генетического понимания вариаций, лежащих в основе разнообразия черепов собак. Идентификация причинных генетических механизмов также позволит сделать вывод об эволюции формы черепа собаки и даст представление о демографии волков или предковых собак, от которых возникла эта вариация.

Появление пород собак

К 19 веку по Европе прокатилась новая мода, которую британцы не только приняли, но и активно продвигали.Любители собак начали разводить и продавать собак, которые были «специализированы» как по физическим, так и по поведенческим признакам. С появлением Клуба собаководства в 1873 году родословная стала стандартизированной по наименованию, родословной, внешнему виду и поведению. Таким образом, для того, чтобы быть признанным «бульдогом», собаке было недостаточно быть приземистым и иметь укороченную морду. Скорее, чистокровный бульдог должен соответствовать клубным стандартам породы, и, что наиболее важно, родители собаки должны быть зарегистрированными в клубе бульдогами, что обеспечивает чистоту родословной.

Любители собак быстро поняли, что структурированное разведение можно использовать для передачи желаемых качеств. Но то, как такой отбор мог работать в большом масштабе, не сразу оценили, и попытки проанализировать генетические механизмы, определяющие, как собачьи черты, такие как форма черепа, передаются от родителей к потомству, формально не изучались до десятилетий спустя. Наиболее заметными были исследования, проведенные Чарльзом Стокардом, чьи подробные родословные собак включают разработанные скрещивания и обратные скрещивания морфологически несопоставимых пород (Stockard 1941).На основе живых наблюдений и анализа препаратов скелета родителей и потомства Стокард пришел к выводу, что определяющие породу особенности формы черепа, такие как укороченный рострум бульдога, не соответствуют образцам менделевской наследования. Пройдет почти 70 лет, прежде чем полногеномные ассоциативные исследования (GWAS) подтвердят прогнозы Стокарда (Boyko et al. 2010; Schoenebeck et al. 2012).

Три фактора были ключевыми для принятия собаки как системы для изучения генетики.Во-первых, генетики признали, что разные породы собак характеризуются огромным разнообразием генетически фиксированных морфологических признаков, генетическая основа которых, вероятно, поможет нам понять биологию развития млекопитающих. Во-вторых, также стало ясно, что популяционная структура домашних пород позволит генетикам преодолеть многие трудности, с которыми сталкиваются при проведении исследований связей или ассоциаций в человеческих популяциях. С более чем 400 задокументированными породами по всему миру, сложные черты, включая морфологические характеристики, такие как размер тела, длина и ширина костей, форма черепа, а также восприимчивость к болезням или даже поведение, могут быть выявлены путем изучения пород собак, и результаты, вероятно, будут применимы к другие системы млекопитающих, включая человека (Karlsson and Lindblad-Toh 2008; Shearin and Ostrander 2010; Ostrander 2012).Наконец, стало ясно, что разрабатываемые геномные методы навигации по геномам мыши и человека можно легко перенести на изучение генома собаки. Быстрое развитие как генетических (Mellersh et al. 2000), так и физических (Guyon et al. 2003) карт собаки, за которыми следовали 7,5-кратная последовательность и предварительная сборка (Lindblad-Toh et al. 2005 ), поставьте собаку в один ряд с традиционными модельными организмами для проведения генетических исследований.

Современная разновидность домашних собак

Сегодня во всем мире существует более 400 пород собак.В совокупности морфологические вариации между этими породами настолько разнообразны и легко различимы, что для многих форма черепа является определяющей для породы (рис. 1). Некоторые формы черепа собак названы в честь их сходства с краниосиностозами человека, такими как брахицефалия и долихоцефалия (рис. 2). Брахицефальные породы, такие как бульдог, мопс и бостон-терьер, легко узнать по их коротким «втянутым внутрь» мордочкам, низкому прикусу и широко расставленным неглубоким глазницам. Брахицефалия, что означает «короткая голова», — термин, заимствованный из медицины.У собак ряд черепно-лицевых аномалий может способствовать брахицефалии, включая уменьшение длины костей, образующих рострум, хондродисплазию основания черепа и изменения положения неба относительно основания черепа (рис. 2; Huber 1974; Nussbaumer 1978).

Длина черепа собаки — сложная характеристика. (A) Показаны поверхностные изображения черепа волка, преобразованные для иллюстрации различий между брахицефальным, предковым и долихоцефальным состояниями черепа псовых.Брахицефальные породы собак имеют укороченный рострум (ros), широкие скуловые дуги (za) и округлый нейрокраниум (nc). У долихоцефальных собак ширина головотрубки и скуловых дуг уменьшена, а рострум наклонен вентрально относительно нейрокраниума. (B) GWAS длины черепа демонстрирует, что множественные QTL тесно связаны с длиной лица. Каждая точка представляет собой один маркер (SNP). Ось y представляет силу ассоциации [-log ₁₀ ( P -значение)].На оси x указано расположение маркеров по хромосомам. Синим цветом выделены статистически значимые ассоциации, превышающие поправку на множественное тестирование. Рисунок адаптирован с разрешения (Schoenebeck et al. 2012).

На другом конце континуума — долихоцефальный вид таких пород, как салюки, борзые и колли. Эти собаки, как правило, имеют узкую, иногда удлиненную морду и орбитали, которые менее поставлены вперед. Морфология долихоцефала — это именно то, что можно было бы предсказать, основываясь на взаимосвязи между морфологией и экологией / охотничьим поведением диких собак.Многие породы долихоцефалов, такие как афганцы и салюки, изначально были выведены для преследования мелкой добычи (рис. 2). Таким образом, имеет смысл предположить, что эти борзые имеют черепно-лицевую конфигурацию, которая, по прогнозам, улучшает сканирование горизонта (Миллер и Мерфи, 1995; МакГриви, и др., , 2004), что необходимо для обнаружения добычи.

Угол между основанием черепа и твердым небом также существенно различается у разных пород собак. Клиноринчи, отличительная черта бультерьеров, направленная вниз, морфологически противоположна углу рострума, наблюдаемому у таких пород, как боксер и бульмастиф.Эти примеры брахицефальных пород демонстрируют крайнюю аэрохинхию, что означает, что их ростры наклонены в дорсальном направлении. Таким образом, угол наклона трибуны бультерьера и боксера представляют собой противоположные крайности межпородного континуума (рис. 3A; Nussbaumer 1982).

Черепно-лицевое разнообразие существует между собаками разных пород и внутри них. Белые полоски выделяют нёбо (слева) и ствол мозга (справа) в каждом примере черепа. (A) Континуум аэроринхических и клиноринхических пород собак, упорядоченных по степени серьезности.Примеры включают пекинес (1), французский бульдог (2), чау-чау (3), бернский зенненхунд (4), немецкую овчарку (5) и борзую (6). (B) Черепа бультерьера демонстрируют непрерывную морфологическую эволюцию породных собак. Черепа расположены в хронологическом порядке от самых старых (вверху) до самых современных (внизу). Рисунок адаптирован с разрешения (Nussbaumer 1982).

Нейрокраниум также заслуживает обсуждения. У многих маленьких собак игрушечных и чайных пород есть мозговые заболевания, напоминающие человеческую гидроцефалию.Ярким примером является чихуахуа, стандарт породы Американского клуба собаководства описывает желаемый череп как имеющий «яблочный купол» и допускающий открытые роднички — отверстия в черепе из-за неполного закрытия швов черепа (American Kennel Club 2006). Нейроанатомия брахицефальных собак также довольно необычна, поскольку мозг повернут относительно своей медиолатеральной оси (Roberts et al. 2010). Вращение мозга у этих пород поднимает вопрос о причине и следствии: влияет ли вращение мозга на форму свода черепа или наоборот?

Используя геометрический морфометрический анализ, Дрейк и Клингенберг (2010) нашли доказательства модульности между рострумом и нейрокранием собак, так что изменения формы рострума не коррелируют строго с изменениями формы нейрокраниума.Это наблюдение повышает вероятность того, что смешивание и сопоставление генетических вариантов, которые независимо регулируют развитие любой структуры, обогащают разнообразие черепов собак. У млекопитающих и птиц рострум и нейрокраниум в основном происходят из нервного гребня и параксиальной мезодермы, соответственно (Noden and Trainor 2005). Возникает соблазн предположить, что модульность черепа собак была достигнута путем отбора генетических вариантов, эффекты которых изменяют развитие одного или обоих типов костеобразующих тканей (Nussbaumer 1976; Noden and Trainor 2005).

Гены-кандидаты для вариаций черепа

Хотя морфологические вариации собачьих черепов были подробно описаны, идентификация лежащих в основе причинных генетических вариантов стала возможной только недавно. На сегодняшний день большинство попыток определить генетические основы формы черепа собак были сосредоточены на брахицефалии. Ранние попытки найти такие причинные варианты были сосредоточены на кандидатах, идентифицированных у людей.

Брахицефалия человека связана с заболеваемостью и служит диагностикой многих синдромов, включая синдромы Аперта, Крузона и Пфайффера (Miraoui and Marie 2010; Johnson and Wilkie 2011; Ursitti et al. 2011; Леви и др. 2012). У людей брахицефалия возникает в результате дефектов зоны роста в развивающемся черепе. Как преждевременное сращение коронарного шва (двусторонний коронарный синостоз), так и дефектная эндохондральная оссификация в синхондрозах основания черепа вносят вклад в брахицефалию (Cendekiawan et al. 2010).

Мутации, которые влияют на передачу сигналов фактора роста фибробластов (Fgf) через нарушение активности рецепторов, заметно проявляются при краниосиностозе брахицефального типа, как и мутации в генах, кодирующих гомеобокс2 мышечного сегмента ( MSX2 ) и факторы транскрипции скрученного гомолога 1 ( TWIST1 ).Другие генетические дефекты, приводящие к краниосиностозу, включают эфрин-B1 ( EFNB1 ), связанный с ras белок RAB23 , фибриллулин1 ( FNB1 ), P450 (цитохром), оксидоректортазу ( POR ), трансформирующий фактор роста. 1 ( TGFBR1 ) и трансформирующий фактор роста, бета-рецептор 2 ( TGFBR2 ). Экстраполируя этот короткий список кандидатов, становится ясно, что передача сигналов FGF и TGF-β является неотъемлемой частью для поддержания проходимости и роста швов и синхондрозов (подтверждающая информация, Table S1; Online Mendelian Inheritance in Man 2012).

Лобно-носовая дисплазия может отрицательно влиять на форму лица подобно брахицефалии собак. Например, мутация синдрома Тричера Коллинза-Франскетти 1 ( TCOF1 ), продукт которого обычно способствует образованию рибосом, приводит к гипоплазии лобных и скуловых костей (Dixon et al. 2004; Valdez et al. 2004).

У собак всех пород коронарный синостоз обычно отсутствует. Однако основание черепа у брахицефальных пород, а также у некоторых долихоцефальных пород непропорционально общему размеру тела (Stockard 1941; Lüps 1974).Это предполагает, что регуляция роста в синхондрозах играет роль в генезе брахицефальных и долихоцефальных конформаций черепа.

Вдохновленный исследованиями на людях, Haworth et al. (2001) исследовал кодирующую последовательность из TCOF1 и MSX2 у избранных пород собак с различной формой головы. Авторы сообщили о варианте в локусе TCOF1 , который, по-видимому, коррелирует с формой головы; однако интерпретация этого открытия была быстро оспорена при исследовании дополнительных пород (Hunemeier et al. 2009). Вариация FGFR3 была исследована на предмет ее роли в хондродисплазии собак; однако при сравнении последовательностей с эталонным геномом боксеров (брахицефальная порода) вариантов не было обнаружено (Smith et al. 2008).

Общегеномные исследования ассоциации для поиска интересующих локусов

Референсная сборка генома собаки и разработка чипов однонуклеотидного полиморфизма (SNP) позволили генетикам провести картирование всех типов у собак.Поскольку неравновесие по сцеплению (LD) широко распространено у собак (Sutter et al. 2004; Lindblad-Toh et al. 2005), с чередующимися участками близкой к гомозиготности, разделенными областями высокой гетерозиготности, необходимо сравнительно меньшее количество SNP для идентифицировать ассоциативные локусы у собак, чем у людей, где высокий уровень гетерозиготности является нормой. Мы и другие исследователи, используя всего 100 несвязанных случаев и контролей, показали, что только 30 000 информативных SNP необходимы для полного исследования одного признака из двух.Геном собаки размером 4 ГБ для достижения 99% вероятности успешного обнаружения ассоциации (Sutter et al. 2004; Lindblad-Toh et al. 2005). На практике сильные LD внутри пород собак — это палка о двух концах: GWAS довольно успешно обнаруживают генетические ассоциации; однако результирующие критические интервалы часто представляют собой обширные блоки LD, которые могут увеличиваться на сотни килобаз и более. Это затрудняет переход от маркера к интересующему варианту.

Для типичного двоичного GWAS ( e.грамм. , исследование случай-контроль), различия частот аллелей для одной группы с признаком сравниваются с другой группой без него. В самой простой форме частоты аллелей проверяются на наличие статистически значимых различий с использованием теста хи-квадрат для каждого маркера. Для сложных признаков, таких как форма черепа, статистическая мощность GWAS снижается по сравнению с бинарными исследованиями. Чтобы компенсировать это, мы и другие специалисты использовали планы исследований, которые включают несколько пород с одним и тем же признаком, которые, вероятно, имеют общую предковую мутацию (Goldstein et al. 2006; Паркер и др. 2007; Карлссон и Линдблад-То 2008). Помимо повышения статистической мощности, межпородные сравнения приносят пользу точному картированию, поскольку межпородные гаплотипы неизбежно меньше, чем внутрипородные гаплотипы.

GWAS тестирует популяционные частоты аллелей для ассоциации с интересующими признаками. При использовании в сочетании с выборочным картированием по развертке стало возможным обнаружение генетической изменчивости, отобранной заводчиком. На основе этого подхода Bannasch et al. (2010) использовал бинарный дизайн, в котором генотипы чипов SNP собак из девяти брахицефальных пород сравнивали с девятью другими породами. Это сравнение привело к обнаружению большой ассоциации на хромосоме собаки (CFA) 1, а также ряда других ассоциаций, которые не были описаны далее. Точное картирование на CFA1 определило критический интервал размером 296 т.п.н., который включал тробоспондин2 ( THSB2 ), после связанного со спарком модульного связывания кальция 2 ( SMOC2 ). Хотя оба остаются потенциальными генами-кандидатами, на сегодняшний день о причинных вариантах не сообщалось.

Мы также использовали GWAS для картирования характеристик собак, отдавая предпочтение обработке формы черепа как количественного признака (Boyko et al. 2010; Schoenebeck et al. 2012). Оба наших исследования основывались на наборе данных CanMap, который включает около 62000 профилей SNP от 915 собак, представляющих около 80 пород. Однако состав генетических профилей и краниометрических данных, использованных в двух исследованиях, различается. Черты черепа, профилированные Boyko et al. (2010) были основаны на линейных измерениях, а Schoenebeck et al. (2012) использовали геометрическую морфометрию для количественной оценки неаллометрической формы черепа. Этот последний подход продемонстрировал, что главный компонент 1 (PC1) объясняет ~ 76% вариации черепов среди черепов, которые были измерены и описывают континуум морфологических изменений, распространяющийся между брахицефальными и долихоцефальными породами собак. Учитывая трудности сбора данных о черепах собак, оба исследования сделали предположение, которое, возможно, является уникальным для популяционных исследований собак; учитывая их морфологическую стандартизацию, в качестве количественных признаков использовались «средние по породе» показатели.

Мы обнаружили ассоциацию на CFA1 (Schoenebeck et al. 2012), совпадающую с ранее описанной (Bannasch et al. 2010; Boyko et al. 2010). Не менее важно, что были описаны многочисленные другие ассоциации с длиной морды и формой черепа, в том числе QTL на CFA -5, -24, -30 и -32 и X-хромосоме, а также другие QTL, которые были уникальными для дизайна каждого исследования ( Рисунок 2B). Эти открытия начинают объяснять сложную генетическую природу брахицефалии, первоначально предсказанную Stockard (1941), а также проливают свет на другие черепно-лицевые черты.

Мы тонко картировали CFA32 QTL, что привело к идентификации мутации фениаланин → лейцин в высококонсервативном положении в зрелом домене костного морфогенетического белка 3 ( BMP3 ) (Schoenebeck et al. 2012). Биологическая функция BMP3 изучена недостаточно; однако ряд исследований предполагает, что он может ингибировать передачу сигналов TGF-β и что он ограничивает остеогенез (Bahamonde and Lyons 2001). Постнатальная экспрессия у крыс указывает на то, что Bmp3 высоко экспрессируется в синхондрозах, что предполагает роль в хондрогенезе (Kettunen et al. 2006).

У собак мутация BMP3 была почти зафиксирована у малых и средних брахицефальных пород и была обнаружена у ряда собак мелких пород, длина рострума которых имеет тенденцию быть брахицефальной. Подтверждая генетическую сложность брахицефалии, мутация отсутствовала у средних и крупных брахицефальных пород, включая боксера (средний), бульмастиф (гигантский) и бордоский дог (гигант). Как и следовало ожидать, мутация BMP3 отсутствовала у долихоцефальных пород, за одним исключением.Любопытно, что у шотландских терьеров также была зафиксирована мутация, несмотря на их долихоцефальную форму черепа. Проявляются ли эффекты мутации BMP3 разрешающим образом в контексте других генетических вариаций, другой вариант действует эпистатически у шотландских терьеров, или у шотландских терьеров действительно есть какой-то аспект черепно-лицевой формы, сходный с небольшими брахицефальными породами, — это вопрос будущего. изучение. Потенциально важным ключом к разгадке является наблюдение, что другие асимметрично хондродиспластические (коротконогие) породы, такие как шотландские терьеры, также являются носителями мутации BMP3 , хотя частота аллелей мутации среди этих пород оказалась нефиксированной (Schoenebeck et al. . 2012). Это повышает вероятность того, что эффекты мутации BMP3 распространяются за пределы черепа. Выявление таких аномалий, несомненно, потребует идентификации и характеристики причинной вариации, лежащей в основе оставшегося QTL формы черепа, в том числе на CFA1, описанного всеми тремя GWAS, а также рассмотрения посткраниальных особенностей скелета (Bannasch et al. 2010; Boyko et al. 2010; Schoenebeck et al. 2012).

Обнаружение дополнительных генетических вариантов, связанных с черепом

Связанная генетическая вариация, идентифицированная в вышеупомянутом GWAS, является «старой», поскольку породы-носители неявно разделяли общего основателя когда-то в своей истории.К родственности породы добавляются остатки генетических узких мест и использование популярных производителей среди заводчиков, что приводит к генетической субструктуре и частотам аллелей, которые часто отклоняются от равновесия Харди-Вайнберга. Такие искажающие факторы делают GWAS у собак склонными к созданию ложноположительных ассоциаций. Перестановка, стратификация населения, множественная тестовая коррекция и использование смешанных моделей (Канг и др. 2008; Чжан и др. 2010; Липка и др. 2012; Чжоу и Стивенс 2012), которые учитывают генетический потенциал, фиксированные эффекты и родство являются важными инструментами для снижения числа ложноположительных результатов, которые встречаются в масштабе всего генома.

Точное картографирование также сопряжено с проблемами. Хотя сравнение нескольких пород помогает уменьшить степень LD в интересующем локусе, обычно результирующий критический интервал все еще слишком велик и непомерно дорого для исчерпывающей последовательности Сэнгера. Однако по мере того, как стоимость целевого захвата последовательностей и секвенирования следующего поколения продолжает снижаться, точное картирование областей обширных LD должно стать менее проблематичным, что обеспечит беспрецедентное разрешение гаплотипов и приоритезацию генетической изменчивости для дальнейшего исследования.

В то время как обширная LD, родство и загадочная генетическая структура являются потенциальными мешающими факторами почти во всех исследованиях GWAS собак, картирование черт черепа является уникально сложным фенотипически, в основном из-за межпородных различий в масштабе. Отличить морфологически аллометрическую вариацию (связанную с размером) от неаллометрической вариации — сложная задача. Многие черепа, доступные для морфометрического анализа, не имеют посткраниальных скелетов, что требует оценки размеров животных по самому черепу.Популярные показатели общего размера, такие как центроид черепа или длина основания черепа, не коррелируют линейно с размером у всех пород. Существуют особые отклонения среди крайних брахицефальных, долихоцефальных и некоторых хондродиспластических пород (Lüps 1974; Nussbaumer 1976). На практике перекрестное загрязнение из-за аллометрической вариации может быть минимизировано путем регрессии формы по размеру во время количественной оценки черепа и, позднее, путем включения ковариаты размера в линейную регрессию, используемую для GWAS.

Также важно отметить, что морфометрические подходы к количественной оценке вариации формы имеют сильное влияние на то, какие черты черепа могут быть картированы с помощью QTL. Геометрическая морфометрия предлагает трехмерную перспективу изменения формы и подходит для количественной оценки устойчивых форм собачьих черепов, таких как брахицефалия и долихоцефалия. Другие фенотипы, такие как угол рострума, плохо улавливаются такими методами, потому что данные ориентиров обычно поворачиваются для определения наилучшего соответствия перед анализом формы, который эффективно устраняет вариацию угла между небом и краниальным основанием.Анализ основных компонентов (PCA), который обычно используется для категоризации формы по подобранным наборам данных, также имеет недостатки. Как ранее отмечалось, PCA имеет тенденцию скрывать тонкие фенотипы собак, распределяя вариации по компонентам и может объединять похожие типы вариаций в один и тот же компонент (Chase et al. 2002; Fondon and Garner 2007). Таким образом, разнообразие форм черепов собак, вероятно, лучше всего описать с помощью морфометрических подходов, соответствующих контексту.

На сегодняшний день GWAS полагается на использование средних показателей породы в качестве количественных признаков.Этот подход был применен по необходимости, поскольку доступ к данным о черепе живых здоровых людей является дорогостоящим, ограниченным и вызывает стресс у измеряемых собак. Средние по породе черты черепа, использованные в наших исследованиях, были получены преимущественно из музейных образцов в Соединенных Штатах и ​​Европе. Неизбежным следствием этого подхода является нарушение прямых отношений фенотип-генотип. Кроме того, для таких признаков, как брахицефалия, мы не можем определить, какой процент признака приходится на обнаруженные нами локусы.Более того, для QTL, который мы действительно находим, у нас нет способа определить порядок ранжирования их вклада в признак. Поскольку музеи продолжают добавлять сохранение ДНК в качестве одного из аспектов своих репозиториев, а технологии секвенирования продолжают совершенствоваться, возможно, что исследования ассоциаций морфологии собак с использованием прямых соотношений фенотип-генотип станут возможными. Даже с прямыми данными фенотипа-генотипа моделирование генетических эффектов может также принести пользу беспородным популяциям, таким как смешанные породы или деревенские собаки (Boyko et al. 2010), чтобы изолировать эффекты отдельного QTL.

Самым серьезным препятствием для любого исследования генетического картирования является доказательство генетической причинности. По очевидным причинам тестирование предположительно причинных вариантов, выявленных у собак, требует биологического суррогата (ей), что значительно усложняет задачу. В настоящее время разнообразие коммерчески доступных линий клеток собак для исследований in vitro практически ничтожно, так как в них отсутствуют хондробласты и остеобласты, которые идеально подходят для характеристики вариантов, влияющих на форму черепа.

Животные модели, такие как мыши и рыбки данио, могут предоставить средства тестирования функциональности вариантов посредством трансгенеза, экзогенной сверхэкспрессии и нокдауна. Как и следовало ожидать, у каждой модели есть свои сильные и слабые стороны. В дополнение к целевым трансгенам, сходство в геномной архитектуре млекопитающих делает возможным исследование межгенных вариаций собак с использованием мышей. Кроме того, благодаря своему более недавнему общему происхождению, мыши, вероятно, лучше подходят для моделирования механистического воздействия, которое генетические варианты оказывают на морфологию черепно-лицевой области.Для сравнения, рыбки данио предлагают быстрое и доступное развитие и поддаются сверхэкспрессии генов, морфолино-опосредованному нокдауну и определенным типам трансгенных подходов. Несмотря на межвидовые различия в структурах головы млекопитающих и костистых, генетические пути, которые регулируют черепно-лицевое развитие позвоночных, высоко консервативны у обоих видов (Schilling 1997; Szabo-Rogers et al. 2010). Столкнувшись с необходимостью быстро оценить функцию BMP3 , мы обратились к рыбкам данио.Наши эксперименты показали, что Bmp3 играет древнюю роль в черепно-лицевом развитии, а избыточная экспрессия указывает на то, что функциональные различия кодируются в вариантах, которые мы идентифицировали у собак (Schoenebeck et al. 2012).

Помимо понимания механизмов черепно-лицевого разнообразия собак, идентификация причинной генетики необходима для понимания того, что в первую очередь делает породы собак такими морфологически разнообразными. В будущих исследованиях необходимо будет изучить происхождение генетической изменчивости, лежащей в основе таких черт, как брахицефалия, чтобы определить, возникли ли варианты после одомашнивания или были объединены от диких псовых (Wayne and Vonholdt 2012).Кроме того, несмотря на генетическую изоляцию друг от друга, форма черепа продолжает быстро меняться у многих пород (рис. 3В). Предыдущие исследования показали, что гипермутируемые тандемные повторы или активность элемента SINE могут быть драйверами постоянно меняющейся морфологии собак; однако остается неопределенность относительно того, в какой степени такие механизмы действительно способствуют морфологическому разнообразию (Fondon and Garner 2004; Wang and Kirkness 2005; Cordaux and Batzer 2006; Fondon and Garner 2007; Laidlaw et al. 2007).Идеи Фондона и Гарнера (2004) особенно интересны. Они исследовали 37 тандемных повторов, расположенных в кодирующих областях связанных с развитием факторов транскрипции у 142 собак 92 пород. Связанный с Runt транскрипционный фактор 2 ( RUNX2 ), который считается главным регулятором дифференцировки остеобластов, показал умеренную корреляцию между его общей длиной аллеля и соотношением аланин / глутамин по сравнению с физическими признаками, такими как дорсовентральный изгиб трибуны и длина средней части лица (Fondon and Garner 2004).Они отмечают, что инактивация RUNX2 вызывает кледокраниальную цисплазию человека. Более того, авт. Предполагают, что события проскальзывания, которые приводят к сокращению и расширению тандемных повторов, представляют собой новый механизм быстрой эволюции. Независимо от того, как постоянные морфологические изменения происходят на молекулярном уровне, картирование возникающих причинных вариаций потребует новых подходов. Ответ может дать секвенирование всего генома, хотя анализ таких данных по-прежнему чрезвычайно сложен и, возможно, менее подходит для обнаружения структурных вариантов, таких как варианты числа копий и тандемные повторы.По мере того, как мы углубляемся в тайны морфологии черепа, становится все более очевидным, что у собак играет роль сложная и редкая генетика, и определение их вклада будет далеко от рутины.

Заключение

Модель собаки молода по человеческим меркам, однако замечательные идеи, полученные за восемь лет с момента публичного дебюта ее генома, сделали ее старой душой. Использование домашних животных в биологических исследованиях является неортодоксальным, но именно симбиоз этого животного с людьми делает его уникальным подходом для решения генетических основ одомашнивания, эволюции, морфологии и болезней.Мы полагаем, что ответы, ожидающие собачьих генетиков, выходят за рамки собак, как мы продемонстрировали при обсуждении черепно-лицевой биологии и генетики собак.

Благодарности

Мы благодарим наших многочисленных коллег, которые сотрудничали с нами, а также работали независимо над развитием полевой генетики скелета собак. Мы благодарим Мод Римбо и Джонин Фигероа за полезные комментарии к этой рукописи.