Van de bijna zestig miljoen huiskatten in de VS behoren ‘klassieke’ cyperse katten – ‘streepjeskatten’ of ‘tijgertjes’ – tot de meest voorkomende varianten, met een vachtpatroon dat is opgebouwd uit strepen, stippen, kronkels en een vlek in de vorm van de letter ‘M’ op het voorhoofd.
Hoewel cyperse katten heel populair zijn (denk aan Garfield), weten experts maar heel weinig over de oorsprong van deze kenmerkende tekening.
Maar in een onderzoek dat deze week in het tijdschrift Nature Communications is verschenen, berichten wetenschappers dat de genen die verantwoordelijk zijn voor de ontwikkeling van het streepjespatroon, worden geactiveerd in de huidcellen van de embryo, dus nog voordat de eigenlijke vacht van de kat zich ontwikkelt. De vroege huidcellen vormen zelfs onder de microscoop al eenzelfde soort streepjespatroon, een verschijnsel dat nog niet eerder in embryocellen is waargenomen. De auteurs van de nieuwe studie denken dat dit unieke genetische proces waarschijnlijk ook verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van de strepen en stippen op de vacht van wilde katachtigen.
De aanduiding ‘cypers’ (‘van Cyprus’) verwijst mogelijk naar de Venetiaanse handel in luxe Arabische stoffen die mede via dit eiland verliep. De Engelse aanduiding voor cyperse kat, tabby cat, die ook in veel andere talen is overgenomen, is afgeleid van de naam al-Attābiyya, van de wijk in Bagdad waar in de zestiende eeuw moiré werd geproduceerd, een luxe gestreepte (‘gewaterde’) zijde die ook wel ‘taffeta’ of ‘tabijn’ wordt genoemd. Maar de strepen zelf zijn waarschijnlijk afkomstig van de directe voorouder van de huiskat, de Nubische wilde kat.
“Tot onze tevredenheid begrijpen we nu iets meer van de wereld om ons heen,” zegt studieleider Greg Barsh, die is verbonden aan het HudsonAlpha Institute for Biotechnology, een onderzoekcentrum in Huntsville, Alabama. Maar de ontdekking is volgens hem ook in een ander opzicht verrassend: “In de biologie wordt hetzelfde stel instrumenten telkens opnieuw gebruikt, dus is het heel zeldzaam om een mechanisme te vinden dat in weinig andere situaties is toegepast. Dat lijkt hier het geval te zijn.”
Wetenschappers zijn al sinds lange tijd gefascineerd door de genetica achter de kleuren en patronen van huiskatten. Zo opperde Charles Darwin dat de meeste dove katten een witte vacht en blauwe ogen hadden. Volgens hem ontwikkelden soorten tijdens hun evolutie soms uiterlijke kenmerken – zoals een afwijkende haar- of vachtkleur – die verder geen negatieve gevolgen voor hun overlevingskansen hadden, omdat ze gepaard gingen met andere, gunstiger veranderingen. (Lees ook hoe huiskatten zichzelf hebben gedomesticeerd.)
Sommige veranderingen waren volgens Darwin niet eens zichtbaar. Hij kon destijds nog geen beroep doen op de moderne genetica, maar hij bleek gelijk te hebben: het gaat om een toevallige genetische afwijking.
Gestreepte kattencellen
Als onderdeel van een ethisch verantwoord onderzoeksprotocol ontvingen Barsh, Christopher Kaelin, geneticus aan de Stanford University, en hoofdwetenschapper Kelly McGowan van HudsonAlpha bijna duizend embryo’s die anders in veterinaire instellingen zouden zijn vernietigd. De instellingen zijn verantwoordelijk voor het castreren van zwerfkatten, waarvan er vele drachtig zijn als ze worden binnengebracht.
Toen McGowan huidcellen van embryo’s die 25 tot 28 dagen oud waren onder de microscoop bestudeerde, zag ze dat dunnere en dikkere gebieden van de huid elkaar afwisselden, waardoor er een tijdelijk en vaag kleurenpatroon ontstond dat sterk deed denken aan het streepjespatroon van een volgroeide cyperse kat.
Lees ook: Voorouders van huiskat ontdekt in Polen – ver van huis
Nog meer verrast was ze dat ze zo’n patroon in een dusdanig vroeg stadium van embryonale ontwikkeling zag, dus lang voordat zich in de huid de haarzakjes en pigmenten zouden vormen die verantwoordelijk zijn voor de vachtkleur van dieren. (Lees meer over deze minder bekende kleine wilde katten.)
Om de zaak nader te onderzoeken analyseerde het team afzonderlijke huidcellen en vond daarbij twee verschillende types, waarin elk een verschillende groep van genen was uitgedrukt. Tot de genengroepen behoorde ook een gen met de omslachtige benaming ‘Dickkopf WNT Signaling Pathway Inhibitor 4’, kortweg DKK4.
Toen de onderzoekers bestudeerden hoe het DKK4-gen werd uitgedrukt in huidcellen van embryo’s die twintig dagen oud waren, ontdekten ze dat dit gebeurde in cellen die enkele dagen later de dikkere huiddelen vormden.
Barsh legt uit dat DKK4 een ‘boodschapper-eiwit’ is, een signaalmolecuul dat wordt uitgescheiden om andere cellen in de omgeving duidelijk te maken dat zij de specifieke taak hebben om op hun plek in de huid haar met een donkerder kleur te laten groeien.
Als alles volgens plan verloopt, ontwikkelen de DKK4-cellen uiteindelijk de kenmerkende donkere tekening van ‘streepjeskatten’. Maar er treden vaak mutaties op, met diverse kleurschakeringen en patronen als gevolg, zoals witte stippen of dunnere strepen. Ook in de pigmentatie kunnen veranderingen optreden: zo ontstaat een volledig zwarte vacht wanneer pigmentcellen die normaliter kleuren zouden moeten produceren, alleen maar donker pigment aanmaken. (Lees meer over de verrassende dingen over jouw kat die je nog niet wist.)
Spontane patronen
Om meer te weten te komen over het mechanisme waarmee deze cellen de vachtpatronen van katten produceren, deed het team een beroep op het werk van Alan Turing, computerwetenschapper en een van de grondleggers van de wiskundige biologie. In 1952 ontwikkelde Turing een mathematische methode om te beschrijven hoe patronen op spontane wijze in de natuur kunnen ontstaan.
Zijn ‘Turing-patronen’ berustten op zogenaamde ‘reactie-diffusievergelijkingen’ en voorspelden dat systemen zich tijdens hun ontwikkeling zelf konden organiseren, waarbij de verschillende ‘activators’ en ‘inhibitors’ – in het geval van katten de moleculen waarin bepaalde genen zich uitdrukken – die tussen cellen worden uitgewisseld, zich in verschillende tempo’s verspreiden. Als een inhibitor zich over een grotere afstand of met een grotere snelheid verspreidt dan een activator, dan gaat een systeem er automatisch toe over om zichzelf in een bepaald Turing-patroon te organiseren. In het geval van cyperse katten is de inhibitor het DKK4-gen, maar de activator is onbekend.
Turing kende de aard van activators of inhibitors niet. Hij wist niet eens dat ze bestonden. Maar zeventig jaar na zijn wiskundige model behoort de patroonvorming bij cyperse katten tot de ontdekkingen die bewijzen dat hij gelijk had.
“We zijn geneigd cellen te zien als elementen die tijdens de ontwikkeling van een levend wezen rondzwerven, maar dat je ze in een zó vroeg stadium op driedimensionale wijze voor de geest kunt halen, waarbij ze werkelijk strepen veroorzaken door de lokale dikte van de huid... dat is zeer geavanceerd,” zegt Elaine Ostrander, die aan het National Human Genome Research Institute van de National Institutes of Health in Bethesda, Maryland, onderzoek doet naar de genetica van huishonden; ze was niet bij het nieuwe onderzoek betrokken.
Lees ook: Begrijp jij de emoties van je kat? Dan ben je een ‘kattenfluisteraar’!
Volgens Ostrander heeft de analyse van afzonderlijke cellen het team “in staat gesteld om enkele van deze verschillende processen te identificeren, die uiteindelijk allemaal van belang zijn voor de ontwikkeling van de patronen die in de plaatjesboeken van onze kinderen zo’n belangrijk rol spelen.”
Barsh’ team ziet het ontstaan van kleurpatronen nu als een proces in twee fases. Eerst bepalen de huidcellen de plekken waar de streepjespatronen donker of licht zullen worden. En vervolgens ontwikkelen zich daar de haarzakjes en pigmentcellen die de vachtkleur op die plekken bepalen.
Door te bestuderen hoe deze processen bij andere dieren werken en zich af te vragen waarom sommige dieren strepen ontwikkelen en andere niet, hoopt het team ook te ontcijferen hoe kleurpatronen zich in de loop van de evolutie hebben ontwikkeld. Volgens Barsh ontdekken ze daarbij misschien bij toeval ook mechanismen die niets met vachtpatronen te maken hebben – zoals de onzichtbare verschillen waar Darwin ooit over schreef.
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op nationalgeographic.com
