Sekvenování a sestavení genomu

Pomocí platformy Illumina HiSeq2000 jsme sekvenovali genomy samice velblouda baktrijského (79,3násobné pokrytí), samce dromedára (65,0násobné pokrytí) a samice alpaky (72,5násobné pokrytí). Současná odhadovaná velikost genomu velblouda baktrijského (2,45 Gb) je srovnatelná s velikostí genomu z předchozí zprávy (2,38 Gb) založené na analýze K-merů3. Velikost sestaveného genomu pro tři jedince byla 2,01, 2,01 a 2,05 Gb (doplňkové tabulky 1-10 a doplňkové obrázky 2 a 3). Současná velikost sestaveného genomu pro velblouda baktrijského je totožná s dříve uvedenou velikostí3. Délky kontigů N50 a scaffoldů N50 (tabulka 1) byly 24,9 kb a 8,7 Mb pro velblouda baktrijského, 54,1 kb a 4,1 Mb pro dromedára a 66,3 kb a 5,1 Mb pro alpaku. Ve srovnání s genomem divokého velblouda baktrijského3 mají současné genomy těchto tří velbloudů kratší délky kontigů N50, ale větší délky skeletů N50. Mapování knihoven s velikostí inzertu 2 kb na scaffold ukázalo, že každá z genomových sekvencí je vysoce kvalitní (doplňkový obr. 4 a doplňkové metody), a transkriptom velblouda bajtrijského rovněž prokázal vysoce kvalitní sestavení genomu současného i divokého velblouda bajtrijského3 (doplňkové tabulky 11 a 12). Genomy velbloudů sdílely vysokou míru syntézy s referenčními genomy člověka a skotu (míra pokrytí >83 %) a relativně nízkou míru genomových přestaveb v rámci čeledi velbloudovitých (Doplňkové tabulky 13 a 14 a Doplňkové metody). Syntéza mezi genomy velblouda baktrijského a skotu zjištěná v této studii je větší než dříve uváděná3. Naše studie podporuje domněnku, že k divergentní evoluci u čeledi Camelidae došlo prostřednictvím mutací jednotlivých genů nebo drobných chromozomálních přestaveb5. Odhadli jsme segmentální duplikaci těchto tří jedinců: celková délka segmentální duplikace u velblouda baktrijského i dromedára byla 26 Mb, tedy menší než u alpaky (36 Mb) (doplňková tabulka 15). Segmentální duplikace u těchto tří organismů je nižší než u skotu (94,4 Mb)6.

Anotace genomu

Kombinací vyhledávání homologních sekvencí a ab initio předpovědí genů jsme anotovali 20 251, 20 714 a 20 864 genů v genomu velblouda baktrijského, dromedára a alpaky (doplňkový obr. 5 a doplňkové tabulky 16 a 17). K posouzení úplnosti genomů a anotace jsme použili metodu CEGMA7 , která zahrnuje 458 základních eukaryotických genů. Naprostá většina těchto základních genů byla zarovnána s genomy velbloudů (99,12 % pro velblouda baktrijského, 98,47 % pro dromedára a 99,12 % pro alpaku) a většina z nich byla přítomna v námi předpovězených genových sadách (97,82 % pro velblouda baktrijského, 96,73 % pro dromedára a 93,87 % pro alpaku), což podporuje úplnost sestavených genomů a identifikace genových sad (doplňkové tabulky 18-20). Srovnávací analýzy genových sad tří velbloudů odhalily vysokou podobnost genových sekvencí (>90 %), ale rozdílné rozložení nesynonymních/synonymních genů (Ka/Ks) (doplňkové obr. 6 a 7). Funkční analýzy genových souborů ukázaly, že >91 % genů bylo v každém genomu funkčně anotováno (Doplňkové tabulky 21-23).

Obsah opakovaných sekvencí v genomech velbloudů (30,4 % u velblouda baktrijského, 32,5 % u velblouda dvouhrbého) byl v každém genomu funkčně anotován.1 % u alpaky a 28,4 % u dromedára) byl o 10 % nižší než u skotu (42,5 %) a člověka (46,1 %) v důsledku malého počtu krátkých prokládaných nukleotidových elementů v genomech velbloudů (Doplňkové tabulky 24-27). Obsah opakovaných sekvencí v genomu velblouda baktrijského byl podobný dříve uváděnému3. Anotace nekódujících genů RNA odhalila u každého genomu podobný počet kopií (velbloud baktrijský = 1 942; dromedár = 2 209; alpaka = 2 328; doplňkové tabulky 28-30). Identifikovali jsme 12 539 homologických genových rodin, které jsou společné pro 4 druhy řádu Cetartiodactyla (velbloud baktrijský, dromedár, alpaka a skot): 156, 153 a 296 genových rodin bylo specifických pro velblouda baktrijského, dromedára a alpaku (obr. 1).

Evoluční analýza a fylogeneze

Byl sestaven fylogenetický strom zahrnující velbloudy (baktrijský velbloud, dromedár a alpaka) a sedm dalších druhů (skot, kůň, pes, panda, člověk, myš a vačice). Strom byl vytvořen pomocí PhyML8 na základě čtyřnásobně degenerovaných kodonových míst extrahovaných ze 7 398 ortologických genů s jednou kopií identifikovaných pomocí TreeFam9 (doplňková tabulka 31 a doplňkové obrázky 8 a 9). Odhadovaná doba divergence mezi velbloudy a skotem je 42,7 milionu let (Mya) (obr. 2 a doplňkový obr. 10). Tento výsledek je v souladu s dobou (45,9 Mya), kdy se podle paleontologických důkazů poprvé objevila čeleď velbloudovitých v Severní Americe10 , ale je v kontrastu s předchozím odhadem doby divergence linií skotu a velbloudů baktrijských na základě 332 ortologů (55-60 Mya)3 . Odhadovaná doba divergence předků alpaky a obou velbloudů (16,3 Mya) je v souladu s paleontologickými nálezy, které naznačují, že k rozdělení mezi Camelini a Lamini došlo v Severní Americe ~17 Mya (cit.10 ). Doba divergence mezi velbloudem baktrijským a dromedárem je ~4,4 Mya, což znamená, že se pravděpodobně rozdělili poté, co jejich společný předek migroval ze Severní Ameriky do Eurasie přes Beringův průliv během pozdního miocénu (7,246-4,9 Mya)10,11 . Analyzovali jsme substituční poměry Ka/Ks (ω) specifické pro jednotlivé větve těchto deseti savců pomocí metody Kosiola a spol.12: velbloud baktrijský a dromedár měli vyšší hodnoty ω větví (doplňkový obr. 11, doplňková tab. 32 a doplňkové metody). Tato zrychlená evoluce u velbloudů zvyšuje možnost evoluce specifické pro velbloudy, aby se přizpůsobili pouštnímu prostředí.

Heterozygotní poměry a demografická historie

SNP byly identifikovány pomocí SOAPsnp13. Odhadované míry heterozygotů v genomech velblouda baktrijského, dromedára a alpaky byly 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 a 2,66 × 10-3 (doplňkové tabulky 33-35). Zde odhadnutá míra heterozygotů u velblouda baktrijského je srovnatelná s dříve uvedenými hodnotami (1,0 × 10-3 a 1,29 × 10-3)3,4. Rozložení genomových SNP mezi těmito savci se liší (Doplňkový obr. 12).

Demografická historie těchto velbloudů byla zkonstruována na základě dat SNP pomocí párového sekvenčně markovského koalescenčního modelu (PSMC)14 (obr. 3). Výsledky naší analýzy ukázaly, že předek velblouda baktrijského měl stabilní velikost populace po dvou poklesech, ke kterým došlo 3,69 a 2,61 Mya. Pro předka dromedára byly vypočteny dva poklesy velikosti populace, ke kterým došlo 1,72 a 0,77 Mya. Tyto odhadované poklesy velikosti populací předků obou druhů odpovídají přechodům mezi geologickými epochami, včetně zanclénské a piacenzské (3,60 Mya), piacenzské a gelasijské (2,59 Mya), gelasijské a kalábrijské (1,81 Mya) a kalábrijské a jónské (0,78 Mya)15 , což naznačuje pravděpodobnou korelaci. K expanzi předpotopní populace dromedárů navíc došlo mezi 1,25 a 0,77 Mya, což se shoduje s přechodem středního pleistocénu od 1,25 do 0,70 Mya, tedy s obdobím zásadních změn v klimatické cykličnosti Země16 , které měly zásadní vliv na rozšíření a vývoj bioty17. Tento časový interval se rovněž shoduje s galeriánskou dobou savců (1,2 až 0,60 Mya), která se vyznačovala obnovou fauny, jež v některých případech dala vzniknout novým druhům přizpůsobeným suchému a chladnému podnebí18; co je však důležitější, tento časový interval se rovněž shoduje s maximem diverzity čeledi Camelidae, k němuž došlo na počátku galeriánu19. Tato korelace podporuje adaptaci předka dromedára na změny prostředí a rozšíření jeho populace během přechodu do středního pleistocénu. K poslednímu poklesu populace předka velblouda baktrijského došlo před ~60 tisíci lety (Kya), což odpovídá rozptylu moderních lidí z Afriky do Eurasie20 , domova velblouda baktrijského. Lidská činnost tedy mohla ovlivnit nedávnou populaci předků velblouda baktrijského.

Efektivní velikost populace předka alpaky se postupně zmenšovala mezi ~5.37 Mya, což je blíže časové hranici messinského a zanklejského stadia (5,33 Mya)15, a 2,09 Mya, což je v uquijském věku (3 až 1,2 Mya), během kterého předek alpaky migroval do Jižní Ameriky přes panamský pevninský most v rámci Velké americké biotické výměny21. To naznačuje, že tato migrace mohla přispět ke zmenšení velikosti populace předka alpaky. Velikost její populace se pak během pleistocénu rozšířila a následovala tři období velkých úzkých hrdel před 501, 139 a 44 Kya. Populace prošla velkou expanzí ~72 Kya a dosáhla velikosti ~113 × 104 jedinců. Poslední úzké hrdlo (44 Kya) odpovídá poslednímu glaciálnímu maximu (48-25 Kya), které postupovalo v Jižní Americe22 a vedlo k dramatickému snížení velikosti populace na ~1,2 × 104 jedinců. To znamená, že chladné podmínky v Jižní Americe v té době mohly mít za následek zúžení velikosti populace předka alpaky ke konci pleistocénu.

Evoluce genů

Dále jsme zkoumali geny velbloudů, které jsou základem adaptace na prostředí. Použili jsme metodu CAFÉ23 k identifikaci genových rodin, které během evoluce prošly významnou expanzí a kontrakcí (obr. 2 a doplňkové metody), a identifikovali jsme 373 expandovaných a 853 kontrahovaných genových rodin v genomu dromedára, 183 expandovaných a 753 kontrahovaných genových rodin v genomu velblouda baktrijského a 501 expandovaných a 2189 kontrahovaných genových rodin v genomu alpaky. Mnohé z rozšířených genových rodin u těchto tří velbloudů jsou významně obohaceny v kategoriích buněčných procesů, buněčných částí, aktivity čichových receptorů, železa a genů souvisejících s imunitním systémem (GO) (doplňkové obrázky 13-15 a doplňkové tabulky 36-38). Identifikovali jsme 287 pozitivně selektovaných genů (PSG) u velblouda baktrijského (Doplňková data 1), 324 PSG u dromedára (Doplňková data 2) a 151 PSG, které byly společné pro oba genomy, což ukazuje na podobné selekční tlaky. Hodnocení unikátních změn aminokyselinových zbytků v ortologických genech, které se vyskytují u 23 druhů, identifikovalo 350 a 343 změněných genů u velblouda baktrijského a dromedára. Několik nadreprezentovaných kategorií genů s unikátními změnami aminokyselinových zbytků u velbloudů souviselo s katalytickou aktivitou, vazbou malých molekul a vazbou ATP (doplňkové obr. 16 a 17 a doplňkové tab. 39 a 40). Na základě analýzy syntenických bloků bylo identifikováno 190 získaných genů u velblouda baktrijského a 126 u dromedára. Tyto získané geny jsou významně obohaceny v kategoriích souvisejících s čichem a imunitou (Doplňkové tabulky 41 a 42 a Doplňkové metody).

Energetický a tukový metabolismus

Jelikož je energie pro velbloudy žijící v pouštích s nedostatkem potravy důležitá, byl analyzován výběr genů zapojených do procesů souvisejících s energií. Celogenomové rysy adaptace byly identifikovány pomocí kategorií GO se zrychlenou evolucí specifickou pro jednotlivé linie (doplňková data 3-14). Na rozdíl od skotu patřily mezi společné rychle se vyvíjející kategorie GO tří velbloudů buněčná odpověď na inzulínový podnět (GO:0032869, P<0,001) a signální dráha inzulínového receptoru (GO:0008286, P<0,001) (Doplňková data 4, 8 a 14). Kromě toho jsme identifikovali řadu kategorií souvisejících s metabolismem energie, glukózy a tuků, které se u těchto velbloudů vyvíjely rychleji než u skotu. Některé z kategorií GO souvisejících s energií, které byly identifikovány jako rychleji se vyvíjející u velblouda baktrijského než u skotu, jsou v souladu s těmi, které byly uvedeny dříve3. Kromě toho 13 genů zapojených do mitochondriální funkce, β-oxidace a syntézy a transportu cholesterolu vykazovalo změny aminokyselinových zbytků, které byly jedinečné pro velblouda baktrijského a dromedára. Několik genů (ACC2, DGKZ a GDPD4) zapojených do metabolismu tuků prošlo v genomu velblouda baktrijského expanzí, zatímco rozšířené rodiny genů dromedára byly obohaceny v kategorii mitochondrie (GO:0005739, P=2,30 × 10-5) (doplňková tabulka 37).

Různý počet hrbolů u těchto tří velbloudů může odrážet jejich odlišné schopnosti metabolismu tuků. Funkční kategorie spojené s ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:0042626, P<0,01), mitochondriemi (GO:0005739, GO:0005759, P<0,01), transportem lipidů (GO:0006869, PBactrian camel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0,00016) a reakce na inzulínový stimul (GO:0032868, PBaktrijský velbloud=0,0005, Pdromedary=1,33 × 10-5) se u obou druhů velbloudů vyvíjely rychleji než u alpaky (doplňková tabulka 43). Kategorie související s metabolismem lipidů se vyvíjely rychleji u velblouda baktrijského než u dromedára, například katabolický proces lipidů (GO:0016042, P=0,0015) a diferenciace tukových buněk (GO:0045444, P=2,54 × 10-9) (doplňková tabulka 44). Tyto geny mohou zvyšovat kapacitu velbloudů pro ukládání a produkci energie v poušti a mohou také odrážet rozdíl v metabolismu tuků a následně souviset s počtem hrbolů.

Reakce na stres

Pro zkoumání adaptací na suché a horké prostředí jsme dále analyzovali geny zapojené do reakcí na stres. Ve srovnání se skotem se zvýšily kategorie spojené s poškozením a opravou DNA (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0,01), apoptózou (GO:0006917, GO:0043066, P<0,01), stabilizací proteinů (GO:0050821, PBaktrijský velbloud=0.00021, Pdromedary=3,44 × 10-19) a imunitní reakce (GO:0006955, GO:0051607, P<0,01) vykazovaly urychlený vývoj u obou druhů velbloudů (doplňková data 8 a 14). Ve srovnání s alpakou byly identifikovány významné funkční kategorie pro ko-stimulaci T-buněk (GO:0031295, PBaktrijský velbloud=8,67 × 10-32, Pdromedar=9,33 × 10-9), oxidačně-redukční procesy (GO:0055114, PBaktrijský velbloud=4.88 × 10-15, Pdromedary=5,22 × 10-21) a oxidoredukční aktivita (GO:0016491, PBaktrijský velbloud=2,27 × 10-10, Pdromedary=7,23 × 10-7), které vykazovaly urychlený vývoj u obou velbloudů (doplňková data 6 a 12). Tři geny (ERP44, NFE2L2 a MGST2) souvisely s reakcemi na oxidační stres a vykazovaly jedinečné změny aminokyselinových zbytků v genomech obou velbloudů. Rozšířené rodiny genů dromedára byly obohaceny o aktivitu cytochrom c oxidázy (GO:0004129, P=5,80 × 10-10) a monooxygenázy (GO:0004497, P=1,32 × 10-5) (doplňková tabulka 37). Tyto výsledky jsou důkazem selekce u velbloudů za účelem adaptace na drsné aridní podmínky pouštního prostředí.

Adaptace dýchacího systému

Další výzvou pouštního prostředí je polétavý prach, který může vést k onemocněním dýchacích cest, jako je astma. Třináct PSG u obou velbloudů, včetně FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 a SEMA4A, souviselo s respiračními onemocněními u lidí. Zjistili jsme také, že kategorie GO týkající se vývoje plic (GO:0030324, PBactrian camel=3,26 × 10-5, Pdromedary=1,18 × 10-19) (doplňková data 6 a 12) se u dromedára a velblouda baktrijského vyvíjela rychleji než u alpaky. Selekce těchto genů poskytuje další důkaz o přizpůsobení velbloudů snášet výzvy pouštního prostředí.

Přizpůsobení zrakového systému

Sluneční záření je dalším aspektem pouštního prostředí. Dlouhodobé vystavení ultrafialovému záření může vést k řadě oftalmologických onemocnění. Zkoumali jsme geny, které by mohly přizpůsobit oči velbloudů extrémnímu slunečnímu záření v poušti, a identifikovali jsme pozitivní selekci u genů OPN1SW, CX3CR1 a CNTFR, které souvisejí s fotorecepcí a ochranou zraku, u obou velbloudů. Výsledky také ukázaly, že zrakové vnímání (GO:0007601, PBaktrijský velbloud=0,0018, Pdromedary=2,49 × 10-14) se u obou velbloudů vyvíjelo rychleji než u alpaky (doplňková data 6 a 12). Tyto výsledky naznačují genetický základ schopnosti velbloudů snášet dlouhodobé vystavení ultrafialovému světlu bez poškození zrakového systému.

Metabolismus soli

Poté jsme se zaměřili na metabolismus soli u velbloudů, přičemž jsme zvažovali hlavní vliv soli na vodní bilanci. Na rozdíl od předchozí zprávy o toleranci soli3 naše výsledky ukázaly, že kategorie transportu sodíkových iontů (GO:0006814, PBaktrijský velbloud=0,0014, Pdromedar=0,00012) se u obou velbloudů vyvíjela rychleji než u skotu (doplňková data 8 a 14). Kategorie související s napěťově řízeným komplexem draslíkových kanálů (GO:0008076, PBaktrijský velbloud=8,77 × 10-8, Pdromedary=2,68 × 10-10) se u obou velbloudů vyvíjela rychleji než u alpaky (Doplňková data 6 a 12). Pozoruhodné je, že genom velblouda baktrijského obsahuje dvě kopie genů NR3C2 a IRS1, které hrají rozhodující roli v reabsorpci sodíku a rovnováze vody v ledvinách24,25,26 , zatímco ostatní savci mají pouze jednu kopii každého genu. Tento rozdíl naznačuje, že velbloudi mohou metabolizovat a transportovat sůl účinněji než alpaka a skot a tyto dráhy jsou důležité pro reabsorpci vody.

Diferenciálně exprimované geny a analýza obohacení

Pro získání lepšího vhledu do charakteristik adaptace na suchou poušť jsme sekvenovali transkriptomy ledvinové kůry a dřeně skupiny velbloudů baktrijských po 24 dnech podmínek s omezeným přísunem vody (WR) a kontrolní skupiny (CG) (doplňková tabulka 45 a doplňková data 15 a 16). V těchto tkáních jsme vybrali významně regulované nebo redukované geny (doplňkové obrázky 18-21 a doplňkové metody) a poté jsme analyzovali obohacené kategorie GO těchto genů (doplňkové obrázky 22-25, doplňková data 17-20 a doplňkové metody). V souboru upregulovaných genů kůry ledvin byla zjištěna nadreprezentace kategorií spojených s vazbou kovových iontů (GO:0046872, P=1,53 × 10-23) a regulací hladiny tělesných tekutin (GO:0050878, P=1,37 × 10-6) (Doplňková data 17). Kategorie GO spojené s metabolickým procesem glukózy (GO:0006006, P=4,11 × 10-6), glukoneogenezí (GO:0006094, P=0,0026), mitochondrií (GO:0005739, P=2,13 × 10-5), tvorbou prekurzorových metabolitů a energie (GO:0006091, P=0,0077), reakcí na hladinu živin (GO:0031667, P=0,0064) a reakcí na stres (GO:0006950, P=0.0094) byly obohaceny v souboru upregulovaných genů dřeně ledvin (doplňková data 19).

Reabsorpce sodíku

Geny kódující Na+/K+-ATPázu a epiteliální Na+ kanál (ENaC), které reabsorbují sodík v ledvinách, byly za podmínek WR upregulovány v kůře a dřeni ledvin (doplňkové tabulky 46 a 47). Flexibilní transkripce podjednotek ENaC v různých tkáních a za různých podmínek naznačuje, že velbloud reguluje reabsorpční aktivitu ENaC, aby se vyrovnal s různými fyziologickými požadavky na vodu. Tato zjištění naznačují, že regulace reabsorpce sodíku může mít zásadní význam pro přežití velbloudů v prostředí s nedostatkem vody.

Rezervace vody

Velbloud je známý svou adaptací na dlouhodobou restrikci vody. Zkoumali jsme proto mechanismus rezervace vody analýzou transkripce genů rodiny akvaporinů, což jsou selektivní vodní kanály s důležitými funkcemi v reabsorpci vody a metabolismu. AQP1, AQP2 a AQP3 byly tři nejvíce rozdílně exprimované geny v kůře a dřeni ledvin za podmínek WR (doplňkové tabulky 48 a 49 a doplňkový obr. 26). Tyto geny mohou velbloudům umožnit účinnější reabsorpci vody v prostředí s nedostatkem vody. V ledvinách velblouda baktrijského jsme však nezjistili mRNA AQP4, což odpovídá jeho nedostatečné expresi u pouštního hlodavce Dipodomys merriami merriami27 , ale je to v kontrastu s jeho hojnou expresí v lidských ledvinách28. Zajímavé je, že v genomu velblouda baktrijského byla u AQP4 pozorována unikátní změna aminokyselinového zbytku (R261C) (doplňkový obr. 27). Tato zjištění mohou naznačovat jedinečnou strategii reabsorpce a metabolismu vody v ledvinách velbloudů.

Osmoregulace

Jelikož hypertonicita je základem vodní rovnováhy a reabsorpce v ledvinách, byla analyzována exprese genů, které se podílejí na osmoregulaci ve dřeni ledvin. Nukleární faktor aktivovaných T-buněk 5 (NFAT5), jediný známý transkripční faktor regulovaný tonicitou u savců29 , byl za podmínek WR exprimován na 3,66 % kontrolní úrovně (doplňková tabulka 50). V souladu s tím vykazovaly sodík/myo-inositol kotransportér (SMIT), sodík- a chlorid-dependentní taurinový transportér (TauT) a sodík- a chlorid-dependentní betainový transportér (BGT1) sníženou expresi v podmínkách WR. Tyto tři transportéry aktivované NFAT5 transportují kompatibilní organické osmolity do buněk dřeně ledvin (RMC) v reakci na hypertonicitu30 (obr. 4). Snížení regulace NFAT5 a jeho cílových genů během hypertonického stresu nebylo pozorováno u jiných savců29,31, včetně pouštních zvířat, jako je myš skákavá Spinifex (Notomys alexis)32 . Naše zjištění naznačují, že velbloudi mohou při ochraně před hypertonickým stresem během dlouhodobé restrikce vody spoléhat na jiné osmoregulační strategie.

Organické osmolity

Hromadění organických osmolytů pomáhá RMC vyrovnávat osmotický tlak mezi intracelulárním a extracelulárním prostředím30. Snížení regulace TauT, BGT1 a SMIT znamená, že je snížen transport taurinu, betainu a myoinositolu do buněk. Pozoruhodné je, že jsme pozorovali transkripční upregulaci aldose reduktasy (AR) a downregulaci sorbitol dehydrogenasy (SDH) v sorbitolové dráze; pozorovali jsme také transkripční upregulaci neuropatické cílové esterasy (NTE) a stabilní transkripci proteinu 5 obsahujícího glycerofosfodiesterovou doménu (GDPD5) v glycerofosfocholinové dráze (GPC) (obr. 4 a doplňková tab. 50). Expresní vzorce těchto genů naznačují, že u velbloudů může docházet k hromadění sorbitolu a GPC v podmínkách WR a že osmolity mohou být produkovány především samotnými RMC. Sorbitol může sloužit jako zdroj energie33 a pomáhat vyrovnávat osmolalitu vysokého extracelulárního NaCl34; energetické náklady na akumulaci GPC v reakci na vysoký obsah NaCl nebo močoviny ve dřeni ledvin30 mohou být nižší než náklady na transport betainu do buněk proti vysokému koncentračnímu gradientu30. Tyto rozdíly v expresi genů souvisejících s osmolyty tedy naznačují, že v reakci na hypertonicitu jsou v rámci modelu nízké spotřeby energie pro přežití velbloudů v poušti s nedostatkem potravy využívány hlavně dva osmolyty, nikoliv pět.

Důležité je, že jsme pozorovali hluboké zvýšení exprese GLUT1 (glukózový transportér 1) a genů zapojených do glykolýzy v dřeni ledvin v podmínkách WR (doplňková tabulka 51). Spolu s předchozí zprávou, že úroveň exprese GLUT1 je indukována osmotickým a metabolickým stresem35 , naše výsledky naznačují, že zvýšení příjmu glukózy nejen zajišťuje dostatečnou koncentraci glukózy pro syntézu sorbitolu, ale také dodává energii potřebnou pro upregulovanou Na/K-ATPázu k udržení vnitřního iontového gradientu pro adaptovanou hypertonicitu (obr. 4). Souhrnně naše pozorování naznačují, že charakteristická vysoká hladina glukózy v krvi (6-8 mmol l-1)36,37 velbloudů může být adaptivní evoluční strategií pro osmoregulaci a reabsorpci vody RMC během antidiurezy.

Osmoprotekce

Vzhledem k možnosti hyperosmotického poškození buněk30 jsme analyzovali expresi genů souvisejících s ochranou buněk a zjistili jsme, že hladiny exprese 25 genů kódujících antioxidanty a příbuzné enzymy (doplňková tabulka 52) byly v ledvinové dřeni za podmínek WR vyšší. Geny kódující antioxidační transkripční faktory, včetně Nrf2, faktoru tepelného šoku-1, komplexu aktivačního proteinu-1, p53, jaderného faktoru-κB a signálního přenašeče a aktivátoru transkripce 4, rovněž vykazovaly zvýšenou expresi v dřeni ledvin za podmínek WR. Kromě toho jsme identifikovali 14 genů tepelného šoku, které přispívají k eliminaci nesprávně složených proteinů při hyperosmolalitě30 a které byly ve dřeni ledvin WR zvýšené (doplňková tabulka 52). Gen clusterin, cytoprotektivní chaperon, byl dramaticky zvýšen ~8,9krát a měl nejvyšší úroveň transkripce v dřeni ledvin WR (počet čtení na kilobázi na milion mapovaných čtení = 27 069). Předchozí studie ukázaly, že clusterin je indukován glukózou38 a je spojen s různými patologickými stavy, včetně diabetu39 a poškození ledvin40. Identifikace clusterinu jako PSG u dromedára naznačuje, že tento gen může hrát významnou roli v cytoprotekci dřeně velbloudí ledviny během restrikce vody a že vysoká hladina glukózy v krvi u velbloudů může plnit funkci při osmoprotekci. Celkově vzrůstající regulace osmoprotektivních genů naznačuje, že velbloudi mají propracovanou schopnost osmoprotekce v podmínkách WR

.