Genomsequenzierung und -zusammenbau

Wir sequenzierten die Genome eines weiblichen Trampeltiers (79,3-fache Abdeckung), eines männlichen Dromedars (65,0-fache Abdeckung) und eines weiblichen Alpakas (72,5-fache Abdeckung) mit der Illumina HiSeq2000-Plattform. Die gegenwärtig geschätzte Genomgröße des Trampeltiers (2,45 Gb) ist vergleichbar mit der eines früheren Berichts (2,38 Gb), der auf einer K-mer-Analyse3 basiert. Die assemblierten Genomgrößen für die drei Individuen betrugen 2,01, 2,01 bzw. 2,05 Gb (ergänzende Tabellen 1-10 und ergänzende Abbildungen 2 und 3). Die vorliegende assemblierte Genomgröße für das Trampeltier ist identisch mit der zuvor berichteten Größe3. Die Contig N50- und Scaffold N50-Längen (Tabelle 1) betrugen 24,9 kb und 8,7 Mb für das Trampeltier, 54,1 kb und 4,1 Mb für das Dromedar bzw. 66,3 kb und 5,1 Mb für das Alpaka. Im Vergleich zum Genom des baktrischen Wildkamels3 haben die Genome dieser drei Kameliden kürzere N50-Kontig-Längen, aber größere N50-Gerüstlängen. Das Mapping von Bibliotheken mit einer Insertgröße von 2 kb auf das Gerüst zeigte, dass jede der Genomsequenzen von hoher Qualität war (ergänzende Abb. 4 und ergänzende Methoden), und das Transkriptom des Trampeltiers zeigte ebenfalls eine qualitativ hochwertige Genomassemblierung für das aktuelle und wilde Trampeltier3 (ergänzende Tabellen 11 und 12). Die Genome der Kameliden wiesen eine hohe Übereinstimmung mit den Referenzgenomen von Mensch und Rind auf (Abdeckungsrate >83%) und eine relativ geringe Rate an genomischen Umlagerungen innerhalb der Camelidae (ergänzende Tabellen 13 und 14 und ergänzende Methoden). Die in der vorliegenden Studie beobachtete Syntenie zwischen den Genomen des Trampeltiers und des Rinds ist größer als in früheren Berichten3. Unsere Studie stützt die Annahme, dass die divergente Evolution bei den Kameliden durch einzelne Genmutationen oder kleinere chromosomale Umlagerungen erfolgte5. Wir schätzten die segmentale Duplikation dieser drei Individuen: Die Gesamtlänge der segmentalen Duplikation sowohl beim Trampeltier als auch beim Dromedar betrug 26 Mb und war damit kleiner als beim Alpaka (36 Mb) (ergänzende Tabelle 15). Die segmentale Duplikation bei diesen drei Organismen ist geringer als bei Rindern (94,4 Mb)6.

Genom-Annotation

Mit einer Kombination aus der Suche nach homologen Sequenzen und ab initio-Genvorhersagen haben wir 20.251, 20.714 und 20.864 Gene in den Genomen des baktrischen Kamels, des Dromedars und des Alpakas annotiert (siehe ergänzende Abb. 5 und ergänzende Tabellen 16 und 17). Wir haben die CEGMA-Methode7 angewendet, die 458 eukaryotische Kerngene umfasst, um die Vollständigkeit der Genome und der Annotation zu bewerten. Die überwiegende Mehrheit dieser Kerngene wurde an die Kamelidengenome angeglichen (99,12 % für das Trampeltier, 98,47 % für das Dromedar und 99,12 % für das Alpaka), und die Mehrheit war in den von uns vorhergesagten Gensätzen vorhanden (97,82 % für das Trampeltier, 96,73 % für das Dromedar und 93,87 % für das Alpaka), was die Vollständigkeit der assemblierten Genome und der Identifizierung der Gensätze bestätigt (Ergänzende Tabellen 18-20). Vergleichende Analysen der drei Kameliden-Gensätze ergaben eine hohe Ähnlichkeit der Gensequenzen (>90%), aber unterschiedliche Verteilungen von Nicht-Synonymen/Synonymen (Ka/Ks) (ergänzende Abbildungen 6 und 7). Funktionelle Analysen der Gensätze zeigten, dass >91% der Gene in jedem Genom funktionell annotiert waren (ergänzende Tabellen 21-23).

Der Wiederholungssequenzgehalt der Kamelidengenome (30,4% im Trampeltier, 32.1 % bei Alpakas und 28,4 % bei Dromedaren) war 10 % niedriger als der von Rindern (42,5 %) und Menschen (46,1 %), was auf die geringe Anzahl von kurz gestreuten Nukleotidelementen in den Genomen der Kameliden zurückzuführen ist (ergänzende Tabellen 24-27). Der Gehalt an sich wiederholenden Sequenzen im Genom des Trampeltiers war ähnlich wie bei früheren Berichten3. Die Annotation der nicht-kodierenden RNA-Gene ergab ähnliche Kopienzahlen für jedes Genom (Trampeltier=1.942; Dromedar=2.209; Alpaka=2.328; ergänzende Tabellen 28-30). Wir identifizierten 12.539 homologe Genfamilien, die von 4 Arten in der Ordnung Cetartiodactyla (Trampeltier, Dromedar, Alpaka und Rind) geteilt werden: 156, 153 und 296 Genfamilien waren spezifisch für das Trampeltier, Dromedar und Alpaka (Abb. 1).

Evolutionsanalyse und Phylogenie

Ein phylogenetischer Baum wurde erstellt, der die Kameliden (Trampeltier, Dromedar und Alpaka) und sieben weitere Arten (Rind, Pferd, Hund, Panda, Mensch, Maus und Opossum) umfasst. Der Baum wurde mit PhyML8 auf der Grundlage von vierfach degenerierten Codonstellen erstellt, die aus 7.398 orthologen Genen mit nur einer Kopie extrahiert wurden, die von TreeFam9 identifiziert wurden (ergänzende Tabelle 31 und ergänzende Abbildungen 8 und 9). Die geschätzte Divergenzzeit zwischen Kameliden und Rindern liegt bei 42,7 Millionen Jahren (Mya) (Abb. 2 und ergänzende Abb. 10). Dieses Ergebnis stimmt mit dem Zeitpunkt (45,9 Mya) überein, zu dem paläontologische Beweise darauf hindeuten, dass die Familie der Camelidae erstmals in Nordamerika auftauchte10, steht jedoch im Gegensatz zu einer früheren Schätzung des Zeitpunkts der Divergenz der Rinder- und Trampeltierlinien auf der Grundlage von 332 Orthologen (55-60 Mya)3. Der geschätzte Zeitpunkt der Divergenz zwischen den Vorfahren des Alpakas und der beiden Kamele (16,3 Mya) stimmt mit paläontologischen Erkenntnissen überein, die darauf hindeuten, dass die Trennung zwischen Camelini und Lamini in Nordamerika vor etwa 17 Mya stattfand (siehe 10). Der Zeitpunkt der Divergenz zwischen dem Trampeltier und dem Dromedar liegt bei ~4,4 Mya, was bedeutet, dass sie sich wahrscheinlich getrennt haben, nachdem ihr gemeinsamer Vorfahre während des späten Miozäns (7,246-4,9 Mya) von Nordamerika über den Bering-Isthmus nach Eurasien gewandert ist10,11. Wir analysierten die verzweigungsspezifischen Ka/Ks-Substitutionsverhältnisse (ω) für diese zehn Säugetiere mit der Methode von Kosiol et al.12: das Trampeltier und das Dromedar wiesen höhere ω-Werte auf (ergänzende Abb. 11, ergänzende Tabelle 32 und ergänzende Methoden). Diese beschleunigte Evolution bei Kamelen wirft die Möglichkeit einer kamelspezifischen Evolution zur Anpassung an eine Wüstenumgebung auf.

Heterozygotieraten und demographische Geschichte

SNPs wurden mit SOAPsnp13 identifiziert. Die geschätzten Heterozygotieraten der Genome des baktrischen Kamels, des Dromedars und des Alpakas betrugen 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 bzw. 2,66 × 10-3 (siehe ergänzende Tabellen 33-35). Die hier geschätzte Heterozygotierate des Trampeltiers ist vergleichbar mit der früher berichteten (1,0 × 10-3 und 1,29 × 10-3)3,4. Die genomischen SNP-Verteilungen unter diesen Säugetieren sind unterschiedlich (ergänzende Abb. 12).

Die demografische Geschichte dieser Kameliden wurde auf der Grundlage der SNP-Daten durch Anwendung des paarweisen sequentiell markovianischen Koaleszenzmodells (PSMC) konstruiert14 (Abb. 3). Die Ergebnisse unserer Analyse deuten darauf hin, dass der Vorfahre des Trampeltiers nach zwei Rückgängen, die 3,69 und 2,61 Mya stattfanden, stabile Populationsgrößen aufwies. Für den Vorfahren des Dromedars wurden zwei Rückgänge der Populationsgröße von 1,72 und 0,77 Mya berechnet. Diese geschätzten Rückgänge in der Populationsgröße der Vorfahren beider Arten stimmen mit Übergängen zwischen geologischen Zeitaltern überein, einschließlich des Zanclean und Piacenzian (3,60 Mya), des Piacenzian und Gelasian (2,59 Mya), des Gelasian und Calabrian (1,81 Mya) und des Calabrian und Ionian (0,78 Mya)15 , was auf eine wahrscheinliche Korrelation hindeutet. Darüber hinaus fand die Ausbreitung der Urpopulation des Dromedars zwischen 1,25 und 0,77 Mya statt, was mit dem mittelpleistozänen Übergang von 1,25 auf 0,70 Mya zusammenfällt, einer Periode grundlegender Veränderungen in der Klimazyklizität der Erde16 , die tiefgreifende Auswirkungen auf die Verbreitung und Entwicklung der Biota hatte17. Dieses Zeitintervall fällt auch mit dem Zeitalter der Säugetiere in der Galeria (1,2 bis 0,60 Mya) zusammen, das durch eine Erneuerung der Fauna gekennzeichnet war, die in einigen Fällen neue Arten hervorbrachte, die an trockene, kalte Klimazonen angepasst waren18; noch wichtiger ist jedoch, dass dieses Zeitintervall auch mit der maximalen Vielfalt der Familie der Kameliden zusammenfällt, die in der frühen Galeria auftrat19. Diese Korrelation spricht für eine Anpassung des Vorfahren des Dromedars an Umweltveränderungen und eine Expansion seiner Population während des Übergangs zum mittleren Pleistozän. Der jüngste Rückgang der Population des Vorfahren des Trampeltiers fand vor etwa 60 000 Jahren (Kya) statt, was mit der Ausbreitung des modernen Menschen aus Afrika nach Eurasien20, der Heimat des Trampeltiers, zusammenfällt. Daher könnten sich menschliche Aktivitäten auf die jüngste Stammpopulation des Trampeltiers ausgewirkt haben.

Die effektive Populationsgröße des Vorfahren des Alpakas nahm zwischen ~5.37 Mya, was näher an der zeitlichen Grenze zwischen der messinischen und der zanzinischen Stufe (5,33 Mya)15 liegt, und 2,09 Mya, was in das Uquian-Zeitalter (3 bis 1,2 Mya) fällt, in dem der Vorfahre des Alpakas im Rahmen des Großen Amerikanischen Biotischen Austauschs21 über die panamaische Landbrücke nach Südamerika wanderte. Dies deutet darauf hin, dass die Migration zur Verringerung der Populationsgröße des Vorfahren des Alpakas beigetragen haben könnte. Die Populationsgröße expandierte dann während des Pleistozäns, gefolgt von drei Perioden mit größeren Engpässen vor 501, 139 und 44 Kya. Die Population erfuhr eine größere Ausdehnung ~72 Kya und erreichte eine Größe von ~113 × 104 Individuen. Der jüngste Engpass (44 Kya) entspricht dem letzten glazialen Maximum (48-25 Kya), das in Südamerika stattfand22 und zu einem dramatischen Rückgang der Populationsgröße auf ~1,2 × 104 Individuen führte. Dies bedeutet, dass die kalten Bedingungen in Südamerika zu dieser Zeit zu einer Verkleinerung der Populationsgröße des Vorfahren des Alpakas gegen Ende des Pleistozäns geführt haben könnten.

Genevolution

Als nächstes untersuchten wir Kamelidengene, die der Anpassung an die Umwelt zugrunde liegen. Wir wendeten CAFÉ23 an, um Genfamilien zu identifizieren, die während der Evolution eine signifikante Expansion und Kontraktion erfahren haben (Abb. 2 und ergänzende Methoden), und identifizierten 373 erweiterte und 853 kontrahierte Genfamilien im Dromedar-Genom, 183 erweiterte und 753 kontrahierte Genfamilien im Genom des baktrischen Kamels und 501 erweiterte und 2.189 kontrahierte Genfamilien im Alpaka-Genom. Viele der erweiterten Genfamilien in diesen drei Kameliden sind in den Kategorien zelluläre Prozesse, Zellteile, Geruchsrezeptoraktivität, Eisen und immunbezogene Gene Ontology (GO) signifikant angereichert (siehe ergänzende Abbildungen 13-15 und ergänzende Tabellen 36-38). Wir identifizierten 287 positiv ausgewählte Gene (PSGs) beim Trampeltier (Ergänzende Daten 1), 324 PSGs beim Dromedar (Ergänzende Daten 2) und 151 PSGs, die beiden Genomen gemeinsam waren, was auf einen ähnlichen Selektionsdruck hindeutet. Eine Bewertung der einzigartigen Veränderungen von Aminosäureresten in orthologen Genen, die bei 23 Arten vorkommen, ergab 350 bzw. 343 veränderte Gene beim Trampeltier und Dromedar. Mehrere überrepräsentierte Kategorien von Genen mit einzigartigen Aminosäurerestveränderungen bei Kamelen standen im Zusammenhang mit katalytischer Aktivität, Bindung kleiner Moleküle und ATP-Bindung (ergänzende Abbildungen 16 und 17 sowie ergänzende Tabellen 39 und 40). Auf der Grundlage einer Analyse der syntenischen Blöcke wurden 190 neue Gene beim Trampeltier und 126 beim Dromedar identifiziert. Diese hinzugewonnenen Gene sind in den Kategorien Geruchssinn und Immunität signifikant angereichert (ergänzende Tabellen 41 und 42 und ergänzende Methoden).

Energie- und Fettstoffwechsel

Da Energie für Kamele, die in nahrungsarmen Wüsten leben, wichtig ist, wurde die Auswahl von Genen analysiert, die an energiebezogenen Prozessen beteiligt sind. Die genomweiten Anpassungsmerkmale wurden anhand von GO-Kategorien mit stammesspezifisch beschleunigter Evolution identifiziert (Supplementary Data 3-14). Im Gegensatz zu Rindern gehörten zu den gemeinsamen, sich schnell entwickelnden GO-Kategorien der drei Kameliden die zelluläre Reaktion auf den Insulinstimulus (GO:0032869, P<0,001) und der Insulinrezeptor-Signalweg (GO:0008286, P<0,001) (Supplementary Data 4, 8 und 14). Darüber hinaus haben wir eine Reihe von Kategorien identifiziert, die mit dem Energie-, Glukose- und Fettstoffwechsel zusammenhängen und sich bei diesen Kameliden schneller entwickelt haben als bei Rindern. Einige der energiebezogenen GO-Kategorien, die sich beim Trampeltier schneller entwickelten als bei Rindern, stimmen mit denen überein, über die bereits berichtet wurde3. Darüber hinaus wiesen 13 Gene, die an der mitochondrialen Funktion, der β-Oxidation sowie der Cholesterinsynthese und dem Cholesterintransport beteiligt sind, Veränderungen der Aminosäurereste auf, die nur beim Trampeltier und beim Dromedar zu finden waren. Mehrere Gene (ACC2, DGKZ und GDPD4), die am Fettstoffwechsel beteiligt sind, erfuhren im Genom des Trampeltiers eine Erweiterung, während die erweiterten Genfamilien des Dromedars in der Kategorie Mitochondrium (GO:0005739, P=2,30 × 10-5) angereichert waren (ergänzende Tabelle 37).

Die unterschiedliche Anzahl von Höckern bei diesen drei Kameliden könnte ihre unterschiedlichen Fähigkeiten im Fettstoffwechsel widerspiegeln. Funktionskategorien, die mit ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:0042626, P<0.01), Mitochondrien (GO:0005739, GO:0005759, P<0.01), Lipidtransport (GO:0006869, PBactrian camel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0,00016) und die Reaktion auf einen Insulinreiz (GO:0032868, PBactrian camel=0,0005, Pdromedary=1,33 × 10-5) entwickelten sich bei beiden Kamelarten im Vergleich zum Alpaka schnell (ergänzende Tabelle 43). Kategorien, die mit dem Fettstoffwechsel in Verbindung stehen, entwickelten sich beim Trampeltier schneller als beim Dromedar, z. B. Lipidabbauprozess (GO:0016042, P=0,0015) und Fettzelldifferenzierung (GO:0045444, P=2,54 × 10-9) (Ergänzende Tabelle 44). Diese Gene könnten die Energiespeicher- und Produktionskapazität eines Kamels in der Wüste erhöhen und auch einen Unterschied im Fettstoffwechsel widerspiegeln, der wiederum mit der Anzahl der Höcker zusammenhängt.

Stressreaktion

Um die Anpassungen an trockene und heiße Umgebungen zu untersuchen, analysierten wir außerdem Gene, die an Stressreaktionen beteiligt sind. Im Vergleich zu Rindern waren die Kategorien, die mit DNA-Schäden und -Reparatur (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0,01), Apoptose (GO:0006917, GO:0043066, P<0,01), Proteinstabilisierung (GO:0050821, PBactrian camel=0.00021, Pdromedary=3.44 × 10-19) und Immunreaktionen (GO:0006955, GO:0051607, P<0.01) zeigten eine beschleunigte Evolution bei beiden Kamelarten (Supplementary Data 8 und 14). Im Vergleich zum Alpaka wurden signifikante funktionelle Kategorien für die Co-Stimulation von T-Zellen (GO:0031295, PBactrian camel=8.67 × 10-32, Pdromedary=9.33 × 10-9), Oxidations-Reduktionsprozesse (GO:0055114, PBactrian camel=4.88 × 10-15, Pdromedary=5.22 × 10-21) und Oxidoreduktase-Aktivität (GO:0016491, PBactrian camel=2.27 × 10-10, Pdromedary=7.23 × 10-7), die alle eine beschleunigte Entwicklung bei beiden Kamelen aufwiesen (Supplementary Data 6 und 12). Drei Gene (ERP44, NFE2L2 und MGST2) wurden mit oxidativen Stressreaktionen in Verbindung gebracht und wiesen in beiden Kamelgenomen einzigartige Veränderungen der Aminosäurereste auf. Die erweiterten Genfamilien des Dromedars waren angereichert mit Cytochrom-c-Oxidase-Aktivität (GO:0004129, P=5,80 × 10-10) und Monooxygenase-Aktivität (GO:0004497, P=1,32 × 10-5) (ergänzende Tabelle 37). Diese Ergebnisse belegen, dass Kamele selektiert wurden, um sich an die rauen, trockenen Bedingungen der Wüstenumgebung anzupassen.

Anpassung des Atmungssystems

Eine weitere Herausforderung der Wüstenumgebung ist der Staub in der Luft, der zu Atemwegserkrankungen wie Asthma führen kann. Dreizehn PSGs in beiden Kamelen, darunter FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 und SEMA4A, standen mit Atemwegserkrankungen beim Menschen in Verbindung. Wir fanden auch heraus, dass sich die GO-Kategorie Lungenentwicklung (GO:0030324, PBactrian camel=3.26 × 10-5, Pdromedary=1.18 × 10-19) (Supplementary Data 6 und 12) beim Dromedar und Bactrian camel im Vergleich zum Alpaka schnell entwickelte. Die Selektion dieser Gene ist ein weiterer Beweis für die Anpassung der Kamele an die Herausforderungen der Wüstenumgebung.

Anpassung des visuellen Systems

Solarstrahlung ist ein weiterer Aspekt der Wüstenumgebung. Langfristige Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung kann zu einer Reihe von Augenkrankheiten führen. Wir untersuchten Gene, die die Augen von Kamelen an die extreme Sonneneinstrahlung in der Wüste gewöhnen könnten, und stellten bei beiden Kamelen eine positive Selektion bei den Genen OPN1SW, CX3CR1 und CNTFR fest, die mit der Photorezeption und dem Sehschutz zusammenhängen. Die Ergebnisse zeigten auch, dass sich die visuelle Wahrnehmung (GO:0007601, PBactrian camel=0.0018, Pdromedary=2.49 × 10-14) bei beiden Kamelen im Vergleich zum Alpaka schnell entwickelt hat (Supplementary Data 6 und 12). Diese Ergebnisse deuten auf eine genetische Grundlage für die Fähigkeit der Kamele hin, eine längere Exposition gegenüber ultraviolettem Licht ohne Schädigung des visuellen Systems zu überstehen.

Salzstoffwechsel

Wir konzentrierten uns dann auf den Salzstoffwechsel der Kamele, indem wir die Hauptwirkung von Salz auf den Wasserhaushalt betrachteten. Im Gegensatz zu einem früheren Bericht über die Salztoleranz3 zeigten unsere Ergebnisse, dass sich die Kategorie des Natriumionentransports (GO:0006814, PBactrian camel=0.0014, Pdromedary=0.00012) bei beiden Kamelen schneller entwickelte als bei Rindern (Supplementary Data 8 und 14). Die Kategorie, die mit dem spannungsabhängigen Kaliumkanal-Komplex assoziiert ist (GO:0008076, PBactrian camel=8.77 × 10-8, Pdromedary=2.68 × 10-10), entwickelte sich bei beiden Kamelen schneller als beim Alpaka (Supplementary Data 6 und 12). Bemerkenswert ist, dass das Genom des Trampeltiers zwei Kopien der Gene NR3C2 und IRS1 enthält, die beide eine entscheidende Rolle bei der Natriumrückresorption und dem Wasserhaushalt in der Niere spielen24,25,26, während andere Säugetiere nur eine einzige Kopie jedes Gens besitzen. Dieser Unterschied deutet darauf hin, dass Kamele Salz möglicherweise effizienter verstoffwechseln und transportieren als Alpakas und Rinder, und dass diese Stoffwechselwege für die Wasserrückresorption wichtig sind.

Differenziell exprimierte Gene und Anreicherungsanalyse

Um einen besseren Einblick in die Merkmale der Anpassung an die trockene Wüste zu erhalten, sequenzierten wir die Transkriptome der Nierenrinde und des Nierenmarks einer Gruppe baktrischer Kamele nach 24 Tagen Wasserrestriktion (WR) und die einer Kontrollgruppe (CG) (ergänzende Tabelle 45, und ergänzende Daten 15 und 16). Wir wählten signifikant hoch- oder herunterregulierte Gene in diesen Geweben aus (ergänzende Abbildungen 18-21 und ergänzende Methoden) und analysierten dann die angereicherten GO-Kategorien dieser Gene (ergänzende Abbildungen 22-25, ergänzende Daten 17-20 und ergänzende Methoden). Eine Überrepräsentation von Kategorien, die mit der Bindung von Metallionen (GO:0046872, P=1,53 × 10-23) und der Regulierung von Körperflüssigkeiten (GO:0050878, P=1,37 × 10-6) assoziiert sind, wurde in der Gruppe der hochregulierten Nierenrindengene festgestellt (Ergänzungsdaten 17). Die GO-Kategorien, die mit dem Glukosestoffwechselprozess (GO:0006006, P=4.11 × 10-6), der Glukoneogenese (GO:0006094, P=0.0026), dem Mitochondrium (GO:0005739, P=2.13 × 10-5), der Erzeugung von Vorläufermetaboliten und Energie (GO:0006091, P=0.0077), der Reaktion auf Nährstoffspiegel (GO:0031667, P=0.0064) und der Reaktion auf Stress (GO:0006950, P=0.

Natriumrückresorption

Gene, die für die Na+/K+-ATPase und den epithelialen Na+-Kanal (ENaC) kodieren, die Natrium in der Niere rückresorbieren, wurden in der Nierenrinde und im Nierenmark unter WR-Bedingungen hochreguliert (ergänzende Tabellen 46 und 47). Die flexible Transkription der Untereinheiten von ENaC in verschiedenen Geweben und unter verschiedenen Bedingungen deutet darauf hin, dass das Kamel die Na+-Rückresorptionsaktivität von ENaC reguliert, um mit den unterschiedlichen physiologischen Wasseranforderungen fertig zu werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Regulierung der Natriumrückresorption für das Überleben der Kamele in einer wasserarmen Umgebung von wesentlicher Bedeutung sein könnte.

Wasserreservierung

Das Kamel ist für seine Anpassung an eine längere Wasserrestriktion bekannt. Wir untersuchten daher den Mechanismus der Wasserreservierung, indem wir die Transkription der Gene der Aquaporin-Familie analysierten, bei denen es sich um selektive Wasserkanäle mit wichtigen Funktionen für die Wasserrückresorption und den Stoffwechsel handelt. AQP1, AQP2 und AQP3 waren die drei am stärksten unterschiedlich exprimierten Gene in der Nierenrinde und im Nierenmark unter WR-Bedingungen (ergänzende Tabellen 48 und 49 sowie ergänzende Abb. 26). Diese Gene könnten es Kamelen ermöglichen, Wasser in einer wasserarmen Umgebung effizienter zu resorbieren. Allerdings konnten wir in der Niere des Trampeltiers keine AQP4-mRNA nachweisen, was mit der fehlenden Expression in dem Wüstennager Dipodomys merriami merriami27 übereinstimmt, aber im Gegensatz zu seiner reichlichen Expression in der menschlichen Niere steht28. Interessanterweise wurde im Genom des Trampeltiers eine einzigartige Veränderung des Aminosäurerestes (R261C) in AQP4 beobachtet (ergänzende Abb. 27). Diese Befunde könnten auf eine einzigartige Strategie für die Wasserrückresorption und den Metabolismus in der Kamelniere hindeuten.

Osmoregulation

Da Hypertonizität die Grundlage für den Wasserhaushalt und die Rückresorption in der Niere ist, wurde die Expression von Genen analysiert, die an der Osmoregulation im Nierenmark beteiligt sind. Nuclear factor of activated T-cells 5 (NFAT5), der einzige bekannte tonizitätsregulierte Transkriptionsfaktor bei Säugetieren29, wurde unter WR-Bedingungen auf 3,66 % des Kontrollniveaus exprimiert (ergänzende Tabelle 50). Dementsprechend wiesen der Natrium/Myositol-Cotransporter (SMIT), der Natrium- und Chlorid-abhängige Taurin-Transporter (TauT) und der Natrium- und Chlorid-abhängige Betain-Transporter (BGT1) unter WR-Bedingungen eine reduzierte Expression auf. Diese drei durch NFAT5 transaktivierten Transporter transportieren als Reaktion auf Hypertonie kompatible organische Osmolyte in Nierenmarkzellen (RMCs)30 (Abb. 4). Die Herunterregulierung von NFAT5 und seiner Zielgene während hypertonischem Stress wurde bei anderen Säugetieren29,31, einschließlich Wüstentieren wie der Spinifex-Hüpfmaus (Notomys alexis)32, nicht beobachtet. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Kamele auf andere osmoregulatorische Strategien angewiesen sein könnten, um sich vor hypertonischem Stress während langfristiger Wasserrestriktion zu schützen.

Organische Osmolyte

Die Anhäufung von organischen Osmolyten hilft den RMCs, den osmotischen Druck zwischen der intrazellulären und extrazellulären Umgebung auszugleichen30. Die Herabregulierung von TauT, BGT1 und SMIT bedeutet, dass der Transport von Taurin, Betain und Myo-Inositol in die Zellen verringert ist. Bemerkenswerterweise beobachteten wir die transkriptionelle Hochregulierung von Aldose-Reduktase (AR) und die Herunterregulierung von Sorbit-Dehydrogenase (SDH) im Sorbitol-Weg; wir beobachteten auch die transkriptionelle Hochregulierung von Neuropathy Target Esterase (NTE) und die stabile Transkription von Glycerophosphodiester-Phosphodiesterase-Domain-containing Protein 5 (GDPD5) im Glycerophosphocholin (GPC)-Weg (Abb. 4 und ergänzende Tabelle 50). Die Expressionsmuster dieser Gene deuten darauf hin, dass sich Sorbitol und GPC beim Kamel unter WR-Bedingungen anreichern können und dass die Osmolyte möglicherweise hauptsächlich von den RMCs selbst produziert werden. Sorbit kann als Energiequelle dienen33 und dazu beitragen, die Osmolalität von hohem extrazellulärem NaCl auszugleichen34; die energetischen Kosten der Anhäufung von GPC als Reaktion auf hohes NaCl oder Harnstoff im Nierenmark30 sind möglicherweise geringer als die Kosten des Transports von Betain in die Zellen gegen einen hohen Konzentrationsgradienten30. Diese Variationen in der Expression osmolytbezogener Gene deuten also darauf hin, dass als Reaktion auf Hypertonie im Rahmen eines Niedrigenergieverbrauchsmodells für das Überleben von Kamelen in der nahrungsarmen Wüste hauptsächlich zwei Osmolyte und nicht fünf verwendet werden.

Wichtig ist, dass wir beobachtet haben, dass die Expressionsniveaus von GLUT1 (Glukosetransporter 1) und an der Glykolyse beteiligten Genen im Nierenmark unter WR-Bedingungen stark erhöht waren (ergänzende Tabelle 51). Zusammen mit einem früheren Bericht, wonach die Expression von GLUT1 durch osmotischen und metabolischen Stress induziert wird35, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die erhöhte Glukoseaufnahme nicht nur eine ausreichende Glukosekonzentration für die Sorbitsynthese sicherstellt, sondern auch die Energie liefert, die die hochregulierte Na/K-ATPase benötigt, um den internen Ionengradienten für eine angepasste Hypertonie aufrechtzuerhalten (Abb. 4). Insgesamt deuten unsere Beobachtungen darauf hin, dass der für Kamele charakteristische hohe Blutzuckerspiegel (6-8 mmol l-1)36,37 eine adaptive evolutionäre Strategie zur Osmoregulation und Wasserrückresorption der RMCs während der Antidiurese sein könnte.

Osmoprotektion

Angesichts des Potenzials für hyperosmotische Zellschäden30 analysierten wir die Expression von Genen, die mit dem Zellschutz zusammenhängen, und stellten fest, dass die Expressionswerte von 25 Genen, die für Antioxidantien und verwandte Enzyme kodieren (ergänzende Tabelle 52), unter WR-Bedingungen im Nierenmark höher waren. Gene, die für antioxidative Transkriptionsfaktoren kodieren, darunter Nrf2, Hitzeschockfaktor-1, Aktivatorprotein-1-Komplex, p53, Nuklearfaktor-κB und Signaltransducer und Aktivator der Transkription 4, wiesen ebenfalls eine erhöhte Expression im WR-Nierenmark auf. Darüber hinaus identifizierten wir 14 Hitzeschockgene, die zur Beseitigung fehlgefalteter Proteine unter Hyperosmolalität30 beitragen, die im WR-Nierenmark hochreguliert waren (ergänzende Tabelle 52). Das Gen Clusterin, ein zytoprotektives Chaperon, war dramatisch um das 8,9-fache erhöht und wies das höchste Transkriptionsniveau im Nierenmark der WR auf (Reads per Kilobase per Million Mapped Reads = 27.069). Frühere Studien haben gezeigt, dass Clusterin durch Glukose38 induziert wird und mit verschiedenen pathologischen Zuständen in Verbindung steht, darunter Diabetes39 und Nierenschäden40. Die Identifizierung von Clusterin als PSG beim Dromedar deutet darauf hin, dass dieses Gen eine wichtige Rolle bei der Zytoprotektion des Nierenmarks von Kamelen während der Wasserrestriktion spielen könnte und dass der hohe Blutzuckerspiegel bei Kamelen eine Funktion bei der Osmoprotektion haben könnte. Insgesamt deutet die Hochregulierung der osmoprotektiven Gene darauf hin, dass Kamele unter WR-Bedingungen über eine ausgeklügelte osmoprotektive Fähigkeit verfügen.