Genomsekventering og samling

Vi sekventerede genomerne af en baktrisk kamelhun (79,3-dobbelt dækning), en dromedarhun (65,0-dobbelt dækning) og en alpacahun (72,5-dobbelt dækning) ved hjælp af Illumina HiSeq2000-platformen. Den nuværende anslåede genomstørrelse for den baktriske kamel (2,45 Gb) er sammenlignelig med den i en tidligere rapport (2,38 Gb) baseret på K-mer-analyse3. De samlede genomstørrelser for de tre individer var henholdsvis 2,01, 2,01 og 2,05 Gb (Supplerende tabeller 1-10 og Supplerende figurer 2 og 3). Den nuværende sammensatte genomstørrelse for den baktriske kamel er identisk med den tidligere rapporterede størrelse3. Længderne af contig N50 og scaffold N50 (tabel 1) var henholdsvis 24,9 kb og 8,7 Mb for den baktriske kamel, 54,1 kb og 4,1 Mb for dromedaren og 66,3 kb og 5,1 Mb for alpacaen. Sammenlignet med genomet af den vilde baktriske kamel3 har de nuværende genomer af disse tre kamelider kortere contig N50-længder, men større scaffold N50-længder. Kortlægning af biblioteker med en insertstørrelse på 2 kb til stilladset viste, at hver af genomsekvenserne var af høj kvalitet (Supplerende fig. 4 og Supplerende metoder), og transkriptomet fra den baktriske kamel viste også en genomsamling af høj kvalitet for den nuværende og den vilde baktriske kamel3 (Supplerende tabeller 11 og 12). Kamelidernes genomer delte en høj syntese med menneskets og kvægets referencegenomer (dækningsgrad >83 %) og en forholdsvis lav genomisk omlægning inden for Camelidae (Supplerende tabeller 13 og 14 samt Supplerende metoder). Den syntenyhed mellem genomet hos den baktriske kamel og genomet hos kvæg, der er observeret i den foreliggende undersøgelse, er større end den, der tidligere er rapporteret3. Vores undersøgelse støtter den opfattelse, at divergerende evolution hos Camelidae er sket gennem enkeltgenmutationer eller mindre kromosomale omlægninger5. Vi estimerede den segmentale duplikation hos disse tre individer: Den samlede længde af den segmentale duplikation hos både den baktriske kamel og dromedaren var 26 Mb, hvilket er mindre end hos alpacaen (36 Mb) (Supplerende tabel 15). Den segmentale duplikation blandt disse tre organismer er lavere end den, der er rapporteret hos kvæg (94,4 Mb)6.

Genomannotation

Ved hjælp af en kombination af homologe sekvenssøgninger og ab initio-genprædiktioner annoterede vi 20.251, 20.714 og 20.864 gener i henholdsvis bactrian camel, dromedary og alpaca genomer (Supplerende figur 5 og Supplerende tabeller 16 og 17). Vi anvendte CEGMA-metoden7 , som omfatter 458 centrale eukaryote gener, til at vurdere genomernes og annotationernes fuldstændighed. Langt størstedelen af disse kernegener blev tilpasset kamelidgenerne (99,12 % for baktriske kameler, 98,47 % for dromedarer og 99,12 % for alpaca), og størstedelen var til stede i vores forudsagte gensæt (97,82 % for baktriske kameler, 96,73 % for dromedarer og 93,87 % for alpaca), hvilket understøtter fuldstændigheden af de sammensatte genomer og identifikationen af gensæt (Supplerende tabeller 18-20). Sammenlignende analyser af de tre genesæt af kamelider afslørede en stor lighed i gensekvenserne (>90 %), men forskellige ikke-synonyme/synonyme (Ka/Ks)-fordelinger (supplerende figur 6 og 7). Funktionelle analyser af gensættene viste, at >91% af generne var funktionelt annoteret i hvert genom (Supplerende tabeller 21-23).

Det gentagne sekvensindhold i kamelidgenomerne (30,4% hos baktrisk kamel, 32.1 % i alpaca og 28,4 % i dromedar) var 10 % lavere end hos kvæg (42,5 %) og mennesker (46,1 %) på grund af det lille antal korte interspredte nukleotidelementer i kamelidernes genomer (Supplerende tabeller 24-27). Indholdet af gentagelsessekvenser i det baktriske kamelgenom svarede til det, der tidligere er rapporteret3. Annotation af ikke-kodende RNA-gener afslørede lignende antal kopier for hvert genom (baktrisk kamel=1.942; dromedar=2.209; alpaca=2.328; Supplerende tabeller 28-30). Vi identificerede 12.539 homologe genfamilier, som deles af 4 arter i ordenen Cetartiodactyla (Baktrisk kamel, dromedar, alpaca og kvæg): 156, 153 og 296 genfamilier var specifikke for henholdsvis Baktrisk kamel, dromedar og alpaca (fig. 1).

Evolutionsanalyse og fylogeni

Der blev konstrueret et fylogenetisk træ, der omfatter kameliderne (bactrisk kamel, dromedar og alpaca) og syv andre arter (kvæg, hest, hund, panda, menneske, menneske, mus og opossum). Træet blev genereret ved hjælp af PhyML8 baseret på firedobbelt degenererede kodonsteder, der blev udtrukket fra 7 398 enkeltkopierede ortologer identificeret af TreeFam9 (Supplerende tabel 31 og Supplerende figurer 8 og 9). Det anslåede divergenstidspunkt mellem kamelider og kvæg er 42,7 millioner år siden (Mya) (Fig. 2 og Supplerende Fig. 10). Dette resultat er i overensstemmelse med det tidspunkt (45,9 Mya), hvor palæontologiske beviser viser, at Camelidae-familien først dukkede op i Nordamerika10 , men står i kontrast til et tidligere skøn over tidspunktet for divergens mellem kvæg- og baktriske kamelstammer baseret på 332 ortologer (55-60 Mya)3. Det anslåede divergenstidspunkt for forfædrene til alpacaen og de to kameler (16,3 Mya) er i overensstemmelse med palæontologiske fund, hvilket indikerer, at opdelingen mellem Camelini og Lamini fandt sted i Nordamerika ~17 Mya (ref. 10). Divergenstidspunktet mellem den baktriske kamel og dromedaren er ~4,4 Mya, hvilket indebærer, at de sandsynligvis er divergeret, efter at deres fælles forfader er vandret fra Nordamerika til Eurasien via Bering-Isthmosen i løbet af sen Miocæn (7,246-4,9 Mya)10,11. Vi analyserede de branchespecifikke Ka/Ks-substitutionsforhold (ω) for disse ti pattedyr ved hjælp af Kosiol et al.12’s metode: Den baktriske kamel og dromedaren havde højere ω-værdier for grenen (Supplerende figur 11, Supplerende tabel 32 og Supplerende metoder). Denne accelererede evolution hos kameler rejser muligheden for kamelspecifik evolution for at tilpasse sig et ørkenmiljø.

Heterozygotrater og demografisk historie

SNP’er blev identificeret ved hjælp af SOAPsnp13. De anslåede heterozygotrater for genomerne af baktriske kameler, dromedarer og alpacaer var henholdsvis 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 og 2,66 × 10-3 (Supplerende tabeller 33-35). Den her anslåede heterozygotrate for den baktriske kamel er sammenlignelig med den, der tidligere er rapporteret (1,0 × 10-3 og 1,29 × 10-3)3,4. De genomiske SNP-fordelinger blandt disse pattedyr er forskellige (Supplerende fig. 12).

Den demografiske historie for disse kamelider blev konstrueret på grundlag af SNP-data ved at anvende den parvise sekventielt markoviske koalescensmodel (PSMC)14 (fig. 3). Resultaterne af vores analyse viste, at forfaderen til den baktriske kamel havde stabile populationsstørrelser efter to fald, der fandt sted 3,69 og 2,61 Mya. Der blev beregnet to fald i populationsstørrelsen, der fandt sted 1,72 og 0,77 Mya, for dromedarens forfader. Disse anslåede fald i populationsstørrelsen hos forfædrene til begge arter er i overensstemmelse med overgange mellem geologiske tidsaldre, herunder Zanclean og Piacenzian (3,60 Mya), Piacenzian og Gelasian (2,59 Mya), Gelasian og Calabrian (1,81 Mya) og Calabrian og Ionian (0,78 Mya)15 , hvilket tyder på en sandsynlig korrelation. Desuden fandt udvidelsen af dromedarens stammepopulation sted mellem 1,25 og 0,77 Mya, hvilket falder sammen med den midtpleistocæne overgang fra 1,25 til 0,70 Mya, en periode med grundlæggende ændringer i Jordens klimacyklus16 , som havde en dybtgående indvirkning på biotaens fordeling og udvikling17. Dette tidsinterval falder også sammen med den galeriske pattedyrtidsalder (1,2 til 0,60 Mya), som var kendetegnet ved en fornyelse af faunaen, der i nogle tilfælde gav anledning til nye arter, som var tilpasset tørre, kolde klimaer18; endnu vigtigere er det dog, at dette tidsinterval også falder sammen med den maksimale diversitet af familien Camelidae, som fandt sted i den tidlige galeriske periode19. Denne korrelation understøtter, at dromedarens forfader tilpassede sig til miljøforandringer og en udvidelse af dens bestand i løbet af den mellemste pleistocæne overgang. Det seneste fald i populationen af den baktriske kamelforfaders forfader fandt sted for ~60.000 år siden (Kya), hvilket svarer til spredningen af moderne mennesker fra Afrika til Eurasien20 , hvor den baktriske kamel har hjemme. Derfor kan menneskelige aktiviteter have påvirket den nyere forfaderpopulation af den baktriske kamel.

Den effektive populationsstørrelse hos alpakaens forfader faldt gradvist mellem ~5.37 Mya, som ligger tættere på tidsgrænsen mellem Messinian- og Zanclean-stadiet (5,33 Mya)15 , og 2,09 Mya, som ligger i Uquian-alderen (3 til 1,2 Mya), hvor alpakaens forfader migrerede til Sydamerika gennem den panamanske landbro i den store amerikanske biotiske udveksling21. Dette tyder på, at migrationen kan have bidraget til reduktionen i populationsstørrelsen hos alpackaens forfader. Dens populationsstørrelse voksede derefter i løbet af Pleistocæn, efterfulgt af tre perioder med større flaskehalse før 501, 139 og 44 Kya. Populationen gennemgik en større ekspansion ~72 Kya og nåede en størrelse på ~113 × 104 individer. Den seneste flaskehals (44 Kya) svarer til det sidste istidsmaksimum (48-25 Kya), som blev fremskyndet i Sydamerika22 , og resulterede i en dramatisk reduktion af populationsstørrelsen til ~1,2 × 104 individer. Dette indebærer, at de kolde forhold i Sydamerika på det tidspunkt kan have resulteret i en indsnævring af populationsstørrelsen hos alpacaens forfader mod slutningen af Pleistocæn.

Genudvikling

Vi undersøgte dernæst kamelidegener, der ligger til grund for tilpasning til miljøet. Vi anvendte CAFÉ23 til at identificere genfamilier, der har undergået en betydelig ekspansion og kontraktion i løbet af evolutionen (Fig. 2 og Supplerende metoder) og identificerede 373 ekspanderede og 853 kontraherede genfamilier i dromedar-genomet, 183 ekspanderede og 753 kontraherede genfamilier i baktriske kamelers genom og 501 ekspanderede og 2.189 kontraherede genfamilier i alpacas genom. Mange af de udvidede genfamilier i disse tre kamelider er signifikant beriget i kategorierne celleproces, celledel, olfaktorisk receptoraktivitet, jern og immunrelateret Gene Ontology (GO) (Supplerende figurer 13-15 og supplerende tabeller 36-38). Vi identificerede 287 positivt udvalgte gener (PSG’er) i den baktriske kamel (Supplerende data 1), 324 PSG’er i dromedaren (Supplerende data 2) og 151 PSG’er, der var fælles for begge genomer, hvilket indikerer lignende selektive pres. En vurdering af unikke ændringer af aminosyrerester i ortologer, der findes i 23 arter, identificerede 350 og 343 ændrede gener i henholdsvis baktriske kameler og dromedarer. Flere overrepræsenterede kategorier af gener med unikke ændringer af aminosyrerester hos kameler var relateret til katalytisk aktivitet, binding af små molekyler og ATP-binding (supplerende figur 16 og 17 og supplerende tabeller 39 og 40). På grundlag af en analyse af synteniske blokke blev der identificeret 190 tilvundne gener hos den baktriske kamel og 126 hos dromedaren. Disse vundne gener er signifikant beriget i kategorierne olfaktorisk og immunrelateret (Supplerende tabeller 41 og 42 og Supplerende metoder).

Energi- og fedtstofskifte

Da energi er vigtig for kameler, der lever i fødevarekrævende ørkener, blev udvælgelsen af gener, der er involveret i energirelaterede processer, analyseret. De genomdækkende træk ved tilpasning blev identificeret ved hjælp af GO-kategorier med afstamningsspecifikke accelererede evolution (Supplerende data 3-14). I modsætning til kvæg omfattede de fælles hurtigt udviklende GO-kategorier for de tre kamelider det cellulære respons på insulinstimulus (GO:0032869, P<0,001) og insulinreceptorsignalvejen (GO:0008286, P<0,001) (Supplerende data 4, 8 og 14) (Supplementary Data 4, 8 og 14). Desuden identificerede vi en række kategorier, der er forbundet med energi-, glukose- og fedtstofskifte, som udviklede sig hurtigere hos disse kamelider end hos kvæg. Nogle af de energirelaterede GO-kategorier, der blev identificeret som værende udviklet hurtigere hos den baktriske kamel end hos kvæg, er i overensstemmelse med dem, der tidligere er rapporteret3. Desuden havde 13 gener, der var involveret i mitokondriefunktion, β-oxidation og kolesterolsyntese og -transport, ændringer i aminosyreresterne, som var unikke for den baktriske kamel og dromedaren. Flere gener (ACC2, DGKZ og GDPD4), der var involveret i fedtstofskiftet, undergik en ekspansion i den baktriske kamels genom, mens de udvidede genfamilier hos dromedaren var beriget i kategorien mitokondrier (GO:0005739, P=2,30 × 10-5) (Supplerende tabel 37).

Det forskellige antal pukkler hos disse tre kamelider kan afspejle deres forskellige fedtstofskiftetableringsevner. Funktionelle kategorier forbundet med ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:004262626, P<0.01), mitokondrier (GO:0005739, GO:0005759, P<0.01), lipidtransport (GO:0006869, PBactrian camel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0,00016) og respons på insulinstimulus (GO:0032868, PBactrian camel=0,0005, Pdromedary=1,33 × 10-5) udviklede sig hurtigt i begge kamelarter sammenlignet med alpacaen (Supplerende tabel 43). Kategorier, der er forbundet med lipidmetabolisme, udviklede sig hurtigere hos den baktriske kamel end hos dromedaren, f.eks. lipidkatabolisk proces (GO:0016042, P=0,0015) og fedtcelledifferentiering (GO:0045444, P=2,54 × 10-9) (Supplerende tabel 44). Disse gener kan øge kamelens energilagrings- og produktionskapacitet i ørkenen og kan også afspejle en forskel i fedtmetabolismen, som igen kan være relateret til antallet af pukkler.

Stressrespons

For at undersøge tilpasninger til tørre og varme miljøer analyserede vi yderligere gener, der er involveret i stressrespons. Sammenlignet med kvæg var kategorier forbundet med DNA-skader og reparation (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0.01), apoptose (GO:0006917, GO:0043066, P<0.01), proteinstabilisering (GO:0050821, PBactrian camel=0.00021, Pdromedary=3.44 × 10-19) og immunreaktioner (GO:0006955, GO:0051607, P<0.01) udviste en accelereret udvikling hos begge kamelarter (Supplerende data 8 og 14). Sammenlignet med alpacaen blev der identificeret signifikante funktionelle kategorier for T-celle co-stimulering (GO:0031295, PBactrian camel=8.67 × 10-32, Pdromedary=9.33 × 10-9), oxidations-reduktionsprocesser (GO:0055114, PBactrian camel=4.88 × 10-15, Pdromedary=5,22 × 10-21) og oxidoreduktaseaktivitet (GO:0016491, PBactrian camel=2,27 × 10-10, Pdromedary=7,23 × 10-7), som alle udviste en accelereret udvikling hos begge kameler (Supplerende data 6 og 12). Tre gener (ERP44, NFE2L2 og MGST2) var korreleret med oxidative stressreaktioner og udviste unikke ændringer af aminosyrerester i begge kamelgenomer. De udvidede genfamilier hos dromedarer var beriget med cytokrom c oxidaseaktivitet (GO:0004129, P=5,80 × 10-10) og monooxygenaseaktivitet (GO:0004497, P=1,32 × 10-5) (Supplerende tabel 37). Disse resultater giver beviser for selektion hos kameler for at tilpasse sig de barske tørre forhold i ørkenmiljøet.

Adaptering af åndedrætsorganerne

En anden udfordring i ørkenmiljøet er luftbåret støv, som kan føre til luftvejssygdomme som f.eks. astma. Tretten PSG’er i begge kameler, herunder FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 og SEMA4A, var relateret til luftvejssygdomme hos mennesker. Vi fandt også, at GO-kategorien for lungeudvikling (GO:0030324, PBactrian camel=3,26 × 10-5, Pdromedary=1,18 × 10-19) (Supplerende data 6 og 12) udviklede sig hurtigt hos dromedar- og bactrian-kamel sammenlignet med alpacaen. Selektion af disse gener giver yderligere beviser for kamelernes tilpasning til at klare udfordringerne i ørkenmiljøet.

Adaptation af det visuelle system

Solstråling er et andet aspekt af ørkenmiljøet. Langvarig udsættelse for ultraviolet stråling kan føre til en række oftalmiske tilstande. Vi undersøgte gener, der kan vænne kamelers øjne til den ekstreme solbestråling i ørkenen, og vi identificerede positiv selektion på generne OPN1SW, CX3CR1 og CNTFR, som er relateret til fotoreception og visuel beskyttelse, hos begge kameler. Resultaterne viste også, at den visuelle perception (GO:0007601, PBactrian camel=0,0018, Pdromedary=2,49 × 10-14) udviklede sig hurtigt hos begge kameler sammenlignet med alpacaen (Supplerende data 6 og 12). Disse resultater tyder på et genetisk grundlag for kamelers evne til at udholde langvarig eksponering for ultraviolet lys uden skade på det visuelle system.

Saltmetabolisme

Vi fokuserede derefter på kamelers saltmetabolisme ved at overveje den vigtigste effekt af salt på vandbalancen. I modsætning til en tidligere rapport om salttolerance3 viste vores resultater, at kategorien natriumiontransport (GO:0006814, PBactrian camel=0.0014, PBactrian camel=0.0014, Pdromedary=0.00012) udviklede sig hurtigere hos begge kameler end hos kvæg (Supplerende data 8 og 14). Den kategori, der er forbundet med det spændingsstyret kaliumkanal-kompleks (GO:0008076, PBactrian camel=8,77 × 10-8, Pdromedary=2,68 × 10-10), udviklede sig hurtigt hos begge kameler sammenlignet med alpacaen (Supplerende data 6 og 12). Det er især bemærkelsesværdigt, at genomet hos den baktriske kamel indeholder to kopier af NR3C2- og IRS1-generne, som begge spiller kritiske roller i natriumreabsorptionen og vandbalancen i nyrerne24,25,26 , hvorimod andre pattedyr kun har en enkelt kopi af hvert gen. Denne forskel tyder på, at kameler kan metabolisere og transportere salt mere effektivt end alpaca og kvæg, og at disse veje er vigtige for vandreabsorptionen.

Differentielt udtrykte gener og berigelsesanalyse

For at få større indsigt i egenskaberne ved tilpasning til den tørre ørken sekventerede vi nyrernes kortikale og medullære transkriptomer fra en gruppe af baktriske kameler efter 24 dage med vandbegrænsede (WR) forhold og dem fra en kontrolgruppe (CG) (Supplerende tabel 45 og Supplerende data 15 og 16). Vi udvalgte signifikant opregulerede eller nedregulerede gener i disse væv (Supplerende figurer 18-21 og Supplerende metoder) og analyserede derefter de berigede GO-kategorier for disse gener (Supplerende figurer 22-25, Supplerende data 17-20 og Supplerende metoder). Der blev påvist en overrepræsentation af kategorier forbundet med metalionbinding (GO:0046872, P=1,53 × 10-23) og regulering af kropsvæskeniveauer (GO:0050878, P=1,37 × 10-6) i sættet af opregulerede nyrekortikale gener (Supplerende data 17). De GO-kategorier, der er forbundet med glukosemetabolismeprocessen (GO:0006006, P=4,11 × 10-6), glukoneogenese (GO:0006094, P=0,0026), mitokondriet (GO:0005739, P=2,13 × 10-5), generering af forstadiemetabolitter og energi (GO:0006091, P=0,0077), respons på næringsstofniveauer (GO:0031667, P=0,0064) og respons på stress (GO:0006950, P=0,0064).0094) blev beriget i sættet af opregulerede nyremarvsgener (Supplerende data 19).

Natriumreabsorption

Gener, der koder for Na+/K+-ATPase og den epitheliale Na+-kanal (ENaC), som reabsorberer natrium i nyren, blev opreguleret i nyrebarken og -marven under WR-betingelser (Supplerende tabeller 46 og 47). Den fleksible transkription af underenhederne af ENaC i forskellige væv og under forskellige forhold tyder på, at kamelen regulerer den Na+ reabsorberende aktivitet af ENaC for at klare de forskellige fysiologiske vandbehov. Disse resultater tyder på, at reguleringen af natriumreabsorptionen kan være afgørende for kamelers overlevelse i et miljø med vandmangel.

Vandreservation

Kamelen er kendt for sin tilpasning til langvarig vandrestriktion. Vi undersøgte derfor mekanismen for vandreservation ved at analysere transkriptionen af generne i aquaporin-familien, som er selektive vandkanaler med vigtige funktioner i vandreabsorption og metabolisme. AQP1, AQP2 og AQP3 var de tre mest varierende eksprimerede gener i nyrebarken og -marven under WR-betingelser (Supplerende tabeller 48 og 49 og Supplerende fig. 26). Disse gener kan gøre det muligt for kameler at reabsorbere vand mere effektivt i et miljø med vandmangel. Vi påviste imidlertid ikke AQP4 mRNA i den baktriske kamels nyre, hvilket er i overensstemmelse med dens manglende ekspression hos ørkennageren Dipodomys merriami merriami27 , men i modsætning til dens rigelige ekspression i den menneskelige nyre28. Interessant nok blev der observeret en unik ændring af en aminosyrerest (R261C) i AQP4 i det baktriske kamelgenom (supplerende figur 27). Disse fund kan tyde på en unik strategi for vandreabsorption og metabolisme i kamelnyren.

Osmoregulering

Da hypertonicitet er grundlaget for vandbalancen og reabsorptionen i nyren, blev ekspressionen af gener, der er involveret i osmoregulering i nyremarven, analyseret. Nuclear factor of activated T-cells 5 (NFAT5), den eneste kendte tonicitetsregulerede transkriptionsfaktor hos pattedyr29 , blev udtrykt på 3,66 % af kontrolniveauet under WR-betingelser (Supplerende tabel 50). I overensstemmelse hermed udviste natrium/myo-inositol-kotransporter (SMIT), natrium- og kloridafhængig taurintransportør (TauT) og natrium- og kloridafhængig betaintransportør (BGT1) reduceret ekspression under WR-betingelser. Disse tre transportører, der transaktiveres af NFAT5, transporterer kompatible organiske osmolytter ind i nyremarvsceller (RMC’er) som reaktion på hypertonicitet30 (Fig. 4). Nedreguleringen af NFAT5 og dens målgener under hypertonisk stress er ikke blevet observeret hos andre pattedyr29,31, herunder ørkendyr såsom Spinifex hopping mouse (Notomys alexis)32. Vores resultater tyder på, at kameler kan være afhængige af andre osmoreguleringsstrategier for at beskytte mod hypertonisk stress under langvarig vandrestriktion.

Organiske osmolytter

Akkumulationen af organiske osmolytter hjælper RMC’er med at afbalancere det osmotiske tryk mellem det intracellulære og ekstracellulære miljø30. Nedreguleringen af TauT, BGT1 og SMIT indebærer, at transporten af taurin, betain og myo-inositol ind i cellerne er nedsat. Bemærkelsesværdigt nok observerede vi den transkriptionelle opregulering af aldosereduktase (AR) og nedregulering af sorbitoldehydrogenase (SDH) i sorbitolvejen; vi observerede også den transkriptionelle opregulering af neuropathy target esterase (NTE) og den stabile transkription af glycerophosphodiester phosphodiesterase domain-containing protein 5 (GDPD5) i glycerophosphocholin (GPC)-vejen (Fig. 4 og Supplerende tabel 50). Ekspressionsmønstrene for disse gener tyder på, at sorbitol og GPC kan ophobes i kamelen under WR-betingelser, og at osmolytterne hovedsageligt kan produceres af RMC’erne selv. Sorbitol kan tjene som energikilde33 og bidrage til at afbalancere osmolaliteten af højt ekstracellulært NaCl34; de energimæssige omkostninger ved ophobning af GPC som reaktion på højt NaCl eller urinstof i nyremarven30 kan være mindre end omkostningerne ved transport af betain ind i cellerne mod en høj koncentrationsgradient30. Disse variationer i ekspressionen af osmolyt-relaterede gener indikerer således, at to osmolyter snarere end fem hovedsageligt anvendes som reaktion på hypertonicitet som en del af en model med lavt energiforbrug for kamelers overlevelse i den fødevarekrævende ørken.

Vigtigt nok observerede vi, at ekspressionsniveauerne af GLUT1 (glukosetransportør 1) og gener involveret i glykolyse var stærkt forøget i nyremarven under WR-betingelser (Supplerende tabel 51). Sammen med en tidligere rapport om, at GLUT1-ekspressionsniveauet induceres af osmotisk og metabolisk stress35 , tyder vores resultater på, at den øgede glukoseindtagelse ikke blot sikrer en tilstrækkelig glukosekoncentration til syntese af sorbitol, men også leverer den energi, der er nødvendig for den opregulerede Na/K-ATPase til at opretholde den interne iongradient for tilpasset hypertonicitet (fig. 4). Samlet set tyder vores observationer på, at kamelers karakteristiske høje blodglukose (6-8 mmol l-1)36,37 kan være en adaptiv evolutionær strategi for osmoregulering og vandreabsorption af RMC’er under antidiurese.

Osmoprotektion

I betragtning af potentialet for hyperosmotisk skade på celler30 analyserede vi ekspressionen af gener relateret til cellebeskyttelse og fandt, at ekspressionsniveauerne af 25 gener, der kodede for antioxidanter og relaterede enzymer (Supplerende tabel 52), var højere i nyremarven under WR-betingelser. Gener, der koder for antioxidative transkriptionsfaktorer, herunder Nrf2, heat shock factor-1, activator protein-1-komplekset, p53, nuclear factor-κB og signal transducer and activator of transcription 4, udviste også forhøjet ekspression i WR-nyremarven. Desuden identificerede vi 14 varmechokgener, som bidrager til eliminering af fejlfoldede proteiner under hyperosmolalitet30, som var opreguleret i WR-nyrernes medulla (Supplerende tabel 52). Genet clusterin, et cytoprotektivt chaperon, blev dramatisk forøget med ~8,9-foldet og havde det højeste transkriptionsniveau i WR-nyremarven (reads pr. kilobase pr. million kortlagte reads = 27.069). Tidligere undersøgelser har vist, at clusterin induceres af glukose38 og er forbundet med forskellige patologiske tilstande, herunder diabetes39 og nyreskader40. Identifikationen af clusterin som et PSG hos dromedaren tyder på, at dette gen kan spille en vigtig rolle i cytoprotektionen af kamelens nyremarv under vandrestriktion, og at det høje niveau af blodglukose hos kameler kan have en funktion under osmoprotektion. Samlet set tyder opreguleringen af osmobeskyttende gener på, at kameler har en sofistikeret osmobeskyttende evne under WR-betingelser.