Séquençage et assemblage des génomes

Nous avons séquencé les génomes d’un chameau de Bactriane femelle (couverture de 79,3 fois), d’un dromadaire mâle (couverture de 65,0 fois) et d’un alpaga femelle (couverture de 72,5 fois) en utilisant la plateforme Illumina HiSeq2000. La taille actuelle estimée du génome du chameau de Bactriane (2,45 Gb) est comparable à celle d’un rapport précédent (2,38 Gb) basé sur l’analyse des K-mer3. Les tailles des génomes assemblés pour les trois individus étaient respectivement de 2,01, 2,01 et 2,05 Gb (tableaux supplémentaires 1-10 et figures supplémentaires 2 et 3). La taille actuelle du génome assemblé du chameau de Bactriane est identique à celle rapportée précédemment3. Les longueurs des contigs N50 et des échafaudages N50 (tableau 1) étaient respectivement de 24,9 kb et 8,7 Mb pour le chameau de Bactriane, de 54,1 kb et 4,1 Mb pour le dromadaire et de 66,3 kb et 5,1 Mb pour l’alpaga. Par rapport au génome du chameau sauvage de Bactriane3, les génomes actuels de ces trois camélidés ont des longueurs N50 de contigs plus courtes mais des longueurs N50 d’échafaudages plus grandes. La cartographie des bibliothèques avec une taille d’insertion de 2 kb sur l’échafaudage a indiqué que chacune des séquences génomiques était de haute qualité (figure 4 supplémentaire et méthodes supplémentaires), et le transcriptome du chameau de Bactriane a également démontré un assemblage génomique de haute qualité pour le chameau de Bactriane actuel et sauvage3 (tableaux supplémentaires 11 et 12). Les génomes des camélidés présentaient une grande synténie avec les génomes de référence humains et bovins (taux de couverture >83%) et un taux relativement faible de réarrangement génomique au sein des Camélidés (tableaux supplémentaires 13 et 14, et méthodes supplémentaires). La synténie entre les génomes du chameau de Bactriane et du bovin observée dans la présente étude est plus importante que celle rapportée précédemment3. Notre étude soutient l’idée que l’évolution divergente chez les Camélidés s’est produite par des mutations génétiques uniques ou des réarrangements chromosomiques mineurs5. Nous avons estimé la duplication segmentaire de ces trois individus : la longueur totale de la duplication segmentaire chez le chameau de Bactriane et le dromadaire était de 26 Mb, plus petite que celle de l’alpaga (36 Mb) (Tableau supplémentaire 15). La duplication segmentaire chez ces trois organismes est inférieure à celle rapportée chez les bovins (94,4 Mb)6.

Annotation du génome

En utilisant une combinaison de recherches de séquences homologues et de prédictions de gènes ab initio, nous avons annoté 20 251, 20 714 et 20 864 gènes dans les génomes du chameau de Bactriane, du dromadaire et de l’alpaga, respectivement (figure supplémentaire 5, et tableaux supplémentaires 16 et 17). Nous avons utilisé la méthode CEGMA7, qui comprend 458 gènes eucaryotes fondamentaux, pour évaluer l’exhaustivité des génomes et de l’annotation. La grande majorité de ces gènes de base ont été alignés sur les génomes des camélidés (99,12 % pour le chameau de Bactriane, 98,47 % pour le dromadaire et 99,12 % pour l’alpaga), et la majorité d’entre eux étaient présents dans nos ensembles de gènes prédits (97,82 % pour le chameau de Bactriane, 96,73 % pour le dromadaire et 93,87 % pour l’alpaga), ce qui confirme l’exhaustivité des génomes assemblés et l’identification des ensembles de gènes (tableaux supplémentaires 18-20). Les analyses comparatives des trois ensembles de gènes de camélidés ont révélé une grande similitude de séquence de gènes (>90%) mais des distributions différentes de non-synonymes/synonymes (Ka/Ks) (figures supplémentaires 6 et 7). Les analyses fonctionnelles des ensembles de gènes ont indiqué que >91% des gènes étaient annotés fonctionnellement dans chaque génome (tableaux supplémentaires 21-23).

Le contenu en séquences répétées des génomes de camélidés (30,4% chez le chameau de Bactriane, 32.1 % chez l’alpaga et 28,4 % chez le dromadaire) était de 10 % inférieur à celui des bovins (42,5 %) et des humains (46,1 %) en raison du petit nombre d’éléments nucléotidiques courts dispersés dans les génomes des camélidés (tableaux supplémentaires 24-27). Le contenu en séquences répétées du génome du chameau de Bactriane était similaire à celui rapporté précédemment3. L’annotation des gènes d’ARN non codants a révélé des nombres de copies similaires pour chaque génome (chameau de Bactriane = 1 942 ; dromadaire = 2 209 ; alpaga = 2 328 ; tableaux supplémentaires 28-30). Nous avons identifié 12 539 familles de gènes homologues qui sont partagées par 4 espèces de l’ordre Cetartiodactyla (chameau de Bactriane, dromadaire, alpaga et bovin) : 156, 153 et 296 familles de gènes étaient spécifiques au chameau de Bactriane, au dromadaire et à l’alpaga, respectivement (Fig. 1).

Analyse évolutive et phylogénie

Un arbre phylogénétique a été construit incluant les camélidés (chameau de Bactriane, dromadaire et alpaga) et sept autres espèces (bovin, cheval, chien, panda, humain, souris et opossum). L’arbre a été généré à l’aide de PhyML8 sur la base de sites de codons quadruples dégénérés extraits de 7 398 gènes orthologues à copie unique identifiés par TreeFam9 (tableau supplémentaire 31, et figures supplémentaires 8 et 9). Le temps de divergence estimé entre les camélidés et les bovins est de 42,7 millions d’années (Mya) (Fig. 2 et Supplementary Fig. 10). Ce résultat est cohérent avec l’époque (45,9 millions d’années) à laquelle les preuves paléontologiques indiquent que la famille des camélidés est apparue pour la première fois en Amérique du Nord10, mais il contraste avec une estimation précédente de l’époque de divergence des lignées de bovins et de chameaux de Bactriane basée sur 332 orthologues (55-60 millions d’années)3. Le temps de divergence estimé des ancêtres de l’alpaga et des deux chameaux (16,3 millions d’années) est cohérent avec les résultats paléontologiques, indiquant que la division entre Camelini et Lamini a eu lieu en Amérique du Nord il y a environ 17 millions d’années (réf. 10). Le temps de divergence entre le chameau de Bactriane et le dromadaire est de ~4,4 millions d’années, ce qui implique qu’ils ont probablement divergé après que leur ancêtre commun ait migré de l’Amérique du Nord vers l’Eurasie via l’isthme de Béring au cours du Miocène tardif (7,246-4,9 millions d’années)10,11. Nous avons analysé les rapports de substitution Ka/Ks spécifiques des branches (ω) pour ces dix mammifères en utilisant la méthode de Kosiol et al.12 : le chameau de Bactriane et le dromadaire présentaient des valeurs ω de branche plus élevées (figure 11 supplémentaire, tableau 32 supplémentaire et méthodes supplémentaires). Cette évolution accélérée chez le chameau soulève la possibilité d’une évolution spécifique au chameau pour s’adapter à un environnement désertique.

Taux d’hétérozygotes et histoire démographique

Les SNPs ont été identifiés en utilisant SOAPsnp13. Les taux d’hétérozygotie estimés des génomes du chameau de Bactriane, du dromadaire et de l’alpaga étaient respectivement de 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 et 2,66 × 10-3 (tableaux supplémentaires 33-35). Le taux d’hétérozygotes du chameau de Bactriane estimé ici est comparable à celui rapporté précédemment (1,0 × 10-3 et 1,29 × 10-3)3,4. Les distributions des SNP génomiques parmi ces mammifères sont différentes (Fig. 12 supplémentaire).

L’histoire démographique de ces camélidés a été construite sur la base des données SNP en appliquant le modèle de coalescence séquentielle markovienne par paire (PSMC)14 (Fig. 3). Les résultats de notre analyse indiquent que l’ancêtre du chameau de Bactriane avait des tailles de population stables après deux déclins survenus à 3,69 et 2,61 millions d’années. Deux déclins de la taille de la population survenus à 1,72 et 0,77 millions d’années ont été calculés pour l’ancêtre du dromadaire. Ces déclins estimés de la taille des populations des ancêtres des deux espèces sont cohérents avec les transitions entre les âges géologiques, notamment entre le Zanclean et le Piacenzien (3,60 Mya), le Piacenzien et le Gélasien (2,59 Mya), le Gélasien et le Calabrais (1,81 Mya), et le Calabrais et l’Ionien (0,78 Mya)15, ce qui suggère une corrélation probable. De plus, l’expansion de la population ancestrale du dromadaire s’est produite entre 1,25 et 0,77 Mya, coïncidant avec la transition du Pléistocène moyen de 1,25 à 0,70 Mya, une période de changements fondamentaux dans la cyclicité climatique de la Terre16 qui a eu un effet profond sur la distribution et l’évolution du biote17. Cet intervalle de temps coïncide également avec l’âge galérien des mammifères (1,2 à 0,60 Mya), qui a été caractérisé par un renouvellement de la faune qui, dans certains cas, a donné naissance à de nouvelles espèces adaptées aux climats arides et froids18 ; plus important encore, cependant, cet intervalle de temps coïncide également avec la diversité maximale de la famille des Camélidés, qui s’est produite au début du Galérien19. Cette corrélation soutient l’adaptation de l’ancêtre du dromadaire aux changements environnementaux et une expansion de sa population pendant la transition du Pléistocène moyen. La diminution la plus récente de la population de l’ancêtre du dromadaire de Bactriane est survenue il y a environ 60 000 ans (Kya), ce qui correspond à la dispersion des humains modernes de l’Afrique vers l’Eurasie20, foyer du dromadaire de Bactriane. Par conséquent, les activités humaines peuvent avoir eu un impact sur la population ancestrale récente du chameau de Bactriane.

La taille effective de la population de l’ancêtre de l’alpaga a progressivement diminué entre ~5.37 Mya, qui est plus proche de la limite temporelle de l’étage messinien et zancléen (5,33 Mya)15, et 2,09 Mya, qui se situe à l’âge uquien (3 à 1,2 Mya), au cours duquel l’ancêtre de l’alpaga a migré en Amérique du Sud par le pont terrestre panaméen lors du Grand échange biotique américain21. Cela suggère que cette migration a pu contribuer à la réduction de la taille de la population de l’ancêtre de l’alpaga. La taille de sa population a ensuite augmenté au cours du Pléistocène, suivi de trois périodes de goulots d’étranglement majeurs avant 501, 139 et 44 Kya. La population a connu une expansion majeure ~72 Kya, atteignant une taille de ~113 × 104 individus. Le goulot d’étranglement le plus récent (44 Kya) correspond au dernier maximum glaciaire (48-25 Kya), qui a été avancé en Amérique du Sud22, et a entraîné une réduction spectaculaire de la taille de la population à ~1,2 × 104 individus. Cela implique que les conditions froides en Amérique du Sud à cette époque peuvent avoir entraîné la constriction de la taille de la population de l’ancêtre de l’alpaga vers la fin du Pléistocène.

Évolution des gènes

Nous avons ensuite étudié les gènes de camélidés qui sous-tendent l’adaptation à l’environnement. Nous avons adopté CAFÉ23 pour identifier les familles de gènes qui ont subi une expansion et une contraction significatives au cours de l’évolution (Fig. 2 et Méthodes supplémentaires) et avons identifié 373 familles de gènes étendues et 853 contractées dans le génome du dromadaire, 183 familles de gènes étendues et 753 contractées dans le génome du chameau de Bactriane et 501 familles de gènes étendues et 2 189 contractées dans le génome de l’alpaga. De nombreuses familles de gènes étendues chez ces trois camélidés sont significativement enrichies dans les catégories Gene Ontology (GO) relatives aux processus cellulaires, à la partie cellulaire, à l’activité des récepteurs olfactifs, au fer et au système immunitaire (figures 13-15 et tableaux 36-38 supplémentaires). Nous avons identifié 287 gènes sélectionnés positivement (GSP) chez le chameau de Bactriane (Données supplémentaires 1), 324 GSP chez le dromadaire (Données supplémentaires 2) et 151 GSP communs aux deux génomes, ce qui indique des pressions sélectives similaires. Une évaluation des modifications uniques des résidus d’acides aminés dans les gènes orthologues présents chez 23 espèces a permis d’identifier 350 et 343 gènes modifiés chez le chameau de Bactriane et le dromadaire, respectivement. Plusieurs catégories surreprésentées de gènes présentant des modifications uniques de résidus d’acides aminés chez les chameaux étaient liées à l’activité catalytique, à la fixation de petites molécules et à la fixation de l’ATP (figures supplémentaires 16 et 17, et tableaux supplémentaires 39 et 40). Sur la base d’une analyse des blocs synténiques, 190 gènes gagnés ont été identifiés chez le chameau de Bactriane et 126 chez le dromadaire. Ces gènes gagnés sont significativement enrichis dans les catégories liées à l’olfaction et à l’immunité (tableaux supplémentaires 41 et 42, et méthodes supplémentaires).

Métabolisme énergétique et lipidique

Comme l’énergie est importante pour les chameaux vivant dans des déserts où la nourriture se fait rare, la sélection de gènes impliqués dans les processus liés à l’énergie a été analysée. Les caractéristiques d’adaptation à l’échelle du génome ont été identifiées par des catégories GO avec une évolution accélérée spécifique à la lignée (données supplémentaires 3-14). Contrairement aux bovins, les catégories GO communes à évolution rapide des trois camélidés comprenaient la réponse cellulaire au stimulus de l’insuline (GO:0032869, P<0,001) et la voie de signalisation du récepteur de l’insuline (GO:0008286, P<0,001) (Données supplémentaires 4, 8 et 14). En outre, nous avons identifié un certain nombre de catégories associées au métabolisme de l’énergie, du glucose et des graisses qui ont évolué plus rapidement chez ces camélidés que chez les bovins. Certaines des catégories GO liées à l’énergie identifiées comme évoluant plus rapidement chez le chameau de Bactriane que chez les bovins sont cohérentes avec celles rapportées précédemment3. En outre, 13 gènes impliqués dans la fonction mitochondriale, la β-oxydation et la synthèse et le transport du cholestérol présentaient des changements de résidus d’acides aminés qui étaient uniques au chameau de Bactriane et au dromadaire. Plusieurs gènes (ACC2, DGKZ et GDPD4) impliqués dans le métabolisme des graisses ont subi une expansion dans le génome du chameau de Bactriane, tandis que les familles de gènes étendues du dromadaire étaient enrichies dans la catégorie de la mitochondrie (GO:0005739, P=2,30 × 10-5) (tableau supplémentaire 37).

Le nombre différent de bosses chez ces trois camélidés peut refléter leurs capacités distinctes en matière de métabolisme des graisses. Les catégories fonctionnelles associées à l’ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:0042626, P<0,01), aux mitochondries (GO:0005739, GO:0005759, P<0,01), au transport des lipides (GO:0006869, PBactrian camel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0.00016) et la réponse au stimulus de l’insuline (GO:0032868, PBactrian camel=0.0005, Pdromedary=1.33 × 10-5) ont évolué rapidement chez les deux espèces de chameaux par rapport à l’alpaga (Tableau supplémentaire 43). Les catégories associées au métabolisme des lipides ont évolué plus rapidement chez le chameau de Bactriane que chez le dromadaire, par exemple, le processus catabolique des lipides (GO:0016042, P=0,0015) et la différenciation des cellules graisseuses (GO:0045444, P=2,54 × 10-9) (Tableau supplémentaire 44). Ces gènes peuvent améliorer la capacité de stockage et de production d’énergie d’un chameau dans le désert et peuvent également refléter une différence dans le métabolisme des graisses et à son tour être liés au nombre de bosses.

Réponse au stress

Pour étudier les adaptations aux environnements arides et chauds, nous avons analysé plus en détail les gènes impliqués dans les réponses au stress. Par rapport aux bovins, les catégories associées aux dommages et à la réparation de l’ADN (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0,01), à l’apoptose (GO:0006917, GO:0043066, P<0,01), à la stabilisation des protéines (GO:0050821, PBchameauactrien=0.00021, Pdromedary=3,44 × 10-19) et les réponses immunitaires (GO:0006955, GO:0051607, P<0,01) ont présenté une évolution accélérée chez les deux espèces de chameaux (Données supplémentaires 8 et 14). Par rapport à l’alpaga, des catégories fonctionnelles significatives ont été identifiées pour la co-stimulation des cellules T (GO:0031295, PBactrian camel=8,67 × 10-32, Pdromedary=9,33 × 10-9), les processus d’oxydoréduction (GO:0055114, PBactrian camel=4.88 × 10-15, Pdromedary=5,22 × 10-21) et l’activité oxydoréductase (GO:0016491, PBactrian camel=2,27 × 10-10, Pdromedary=7,23 × 10-7), qui ont tous présenté une évolution accélérée chez les deux chameaux (Données supplémentaires 6 et 12). Trois gènes (ERP44, NFE2L2 et MGST2) étaient corrélés aux réponses au stress oxydatif et présentaient des changements uniques de résidus d’acides aminés dans les deux génomes de chameaux. Les familles de gènes élargies du dromadaire étaient enrichies en activité cytochrome c oxydase (GO:0004129, P=5,80 × 10-10) et en activité monooxygénase (GO:0004497, P=1,32 × 10-5) (Tableau supplémentaire 37). Ces résultats fournissent des preuves de sélection chez les chameaux pour s’adapter aux conditions arides difficiles de l’environnement désertique.

Adaptation du système respiratoire

Un autre défi de l’environnement désertique est la poussière en suspension dans l’air, qui peut entraîner des maladies respiratoires telles que l’asthme. Treize PSG dans les deux chameaux, y compris FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 et SEMA4A, étaient liés aux maladies respiratoires chez les humains. Nous avons également constaté que la catégorie GO du développement pulmonaire (GO:0030324, PB chameau de Bactriane=3,26 × 10-5, Pdromedary=1,18 × 10-19) (Données supplémentaires 6 et 12) a évolué rapidement chez le dromadaire et le chameau de Bactriane par rapport à l’alpaga. La sélection de ces gènes fournit une preuve supplémentaire de l’adaptation des chameaux pour supporter les défis de l’environnement désertique.

Adaptation du système visuel

Le rayonnement solaire est un autre aspect de l’environnement désertique. L’exposition à long terme aux rayons ultraviolets peut conduire à un certain nombre de conditions ophtalmiques. Nous avons examiné les gènes qui pourraient habituer les yeux des chameaux à l’irradiation solaire extrême dans le désert et avons identifié une sélection positive au niveau des gènes OPN1SW, CX3CR1 et CNTFR, qui sont liés à la photoréception et à la protection visuelle, chez les deux chameaux. Les résultats ont également indiqué que la perception visuelle (GO:0007601, PBactrian camel=0.0018, Pdromedary=2.49 × 10-14) a évolué rapidement chez les deux chameaux par rapport à l’alpaga (Données supplémentaires 6 et 12). Ces résultats suggèrent une base génétique pour la capacité des chameaux à supporter une exposition prolongée à la lumière ultraviolette sans dommage pour le système visuel.

Métabolisme du sel

Nous nous sommes ensuite concentrés sur le métabolisme du sel des chameaux en considérant l’effet principal du sel sur l’équilibre hydrique. Contrairement à un rapport précédent sur la tolérance au sel3, nos résultats ont indiqué que la catégorie du transport des ions sodium (GO:0006814, PBactrian camel=0.0014, Pdromedary=0.00012) a évolué plus rapidement chez les chameaux que chez les bovins (Données supplémentaires 8 et 14). La catégorie associée au complexe des canaux potassiques voltage-dépendants (GO:0008076, PBactrian camel=8,77 × 10-8, Pdromedary=2,68 × 10-10) a évolué rapidement chez les deux chameaux par rapport à l’alpaga (Supplementary Data 6 et 12). Notamment, le génome du chameau de Bactriane contient deux copies des gènes NR3C2 et IRS1, qui jouent tous deux des rôles critiques dans la réabsorption du sodium et l’équilibre hydrique dans le rein24,25,26, alors que les autres mammifères ne possèdent qu’une seule copie de chaque gène. Cette différence suggère que les chameaux peuvent métaboliser et transporter le sel plus efficacement que les alpagas et les bovins, et que ces voies sont importantes pour la réabsorption de l’eau.

Gènes exprimés de manière différentielle et analyse d’enrichissement

Pour obtenir un meilleur aperçu des caractéristiques de l’adaptation au désert aride, nous avons séquencé les transcriptomes corticaux et médullaires rénaux d’un groupe de chameaux de Bactriane après 24 jours de conditions de restriction d’eau (WR) et ceux d’un groupe témoin (CG) (tableau supplémentaire 45, et données supplémentaires 15 et 16). Nous avons sélectionné les gènes significativement régulés à la hausse ou à la baisse dans ces tissus (figures supplémentaires 18-21 et méthodes supplémentaires) et avons ensuite analysé les catégories GO enrichies de ces gènes (figures supplémentaires 22-25, données supplémentaires 17-20 et méthodes supplémentaires). Une surreprésentation des catégories associées à la fixation des ions métalliques (GO:0046872, P=1,53 × 10-23) et à la régulation des niveaux de fluides corporels (GO:0050878, P=1,37 × 10-6) a été détectée dans l’ensemble des gènes corticaux rénaux régulés à la hausse (données supplémentaires 17). Les catégories GO associées au processus métabolique du glucose (GO:0006006, P=4,11 × 10-6), à la gluconéogenèse (GO:0006094, P=0,0026), à la mitochondrie (GO:0005739, P=2,13 × 10-5), à la génération de métabolites précurseurs et d’énergie (GO:0006091, P=0,0077), à la réponse aux niveaux de nutriments (GO:0031667, P=0,0064) et à la réponse au stress (GO:0006950, P=0.0094) étaient enrichis dans l’ensemble des gènes médullaires rénaux régulés à la hausse (données supplémentaires 19).

Réabsorption du sodium

Les gènes codant pour la Na+/K+-ATPase et le canal Na+ épithélial (ENaC), qui réabsorbent le sodium dans le rein, étaient régulés à la hausse dans le cortex et la médulla rénaux dans des conditions de WR (tableaux supplémentaires 46 et 47). La transcription flexible des sous-unités de ENaC dans différents tissus et dans différentes conditions suggère que le chameau régule l’activité de réabsorption du Na+ de ENaC pour faire face aux différents besoins physiologiques en eau. Ces résultats indiquent que la régulation de la réabsorption du sodium peut être essentielle pour la survie des chameaux dans un environnement de pénurie d’eau.

Réservation d’eau

Le chameau est réputé pour son adaptation à une restriction hydrique prolongée. Nous avons donc étudié le mécanisme de la réservation d’eau en analysant la transcription des gènes de la famille des aquaporines, qui sont des canaux hydriques sélectifs ayant des fonctions importantes dans la réabsorption et le métabolisme de l’eau. AQP1, AQP2 et AQP3 étaient les trois gènes les plus différemment exprimés dans le cortex et la médulla rénaux dans des conditions de WR (tableaux supplémentaires 48 et 49, et figure supplémentaire 26). Ces gènes peuvent permettre aux chameaux de réabsorber l’eau plus efficacement dans un environnement pauvre en eau. Cependant, nous n’avons pas détecté d’ARNm AQP4 dans le rein du chameau de Bactriane, ce qui est cohérent avec son absence d’expression chez le rongeur du désert Dipodomys merriami merriami27 mais qui contraste avec son expression abondante dans le rein humain28. Il est intéressant de noter qu’un changement unique de résidu d’acide aminé (R261C) a été observé dans l’AQP4 dans le génome du chameau de Bactriane (figure supplémentaire 27). Ces résultats peuvent suggérer une stratégie unique pour la réabsorption et le métabolisme de l’eau dans le rein du chameau.

Osmoregulation

Comme l’hypertonicité est le fondement de l’équilibre hydrique et de la réabsorption dans le rein, l’expression des gènes qui sont impliqués dans l’osmorégulation dans la médulla rénale a été analysée. Le facteur nucléaire des cellules T activées 5 (NFAT5), le seul facteur de transcription régulé par la tonicité connu chez les mammifères29, a été exprimé à 3,66 % du niveau de contrôle dans des conditions de WR (tableau supplémentaire 50). En conséquence, le cotransporteur sodium/myo-inositol (SMIT), le transporteur de taurine dépendant du sodium et du chlorure (TauT) et le transporteur de bétaïne dépendant du sodium et du chlorure (BGT1) ont présenté une expression réduite dans des conditions de WR. Ces trois transporteurs transactivés par NFAT5 transportent des osmolytes organiques compatibles dans les cellules médullaires rénales (CMR) en réponse à l’hypertonicité30 (Fig. 4). La régulation à la baisse de NFAT5 et de ses gènes cibles pendant le stress hypertonique n’a pas été observée chez d’autres mammifères29,31, y compris chez des animaux du désert comme la souris sauteuse Spinifex (Notomys alexis)32. Nos résultats indiquent que les chameaux peuvent compter sur d’autres stratégies osmorégulatrices pour se protéger contre le stress hypertonique pendant la restriction hydrique à long terme.

Osmolytes organiques

L’accumulation d’osmolytes organiques aide les CMR à équilibrer la pression osmotique entre les environnements intracellulaire et extracellulaire30. La régulation négative de TauT, BGT1 et SMIT implique que le transport de la taurine, de la bétaïne et du myo-inositol dans les cellules est diminué. De façon remarquable, nous avons observé la régulation à la hausse de la transcription de l’aldose réductase (AR) et la régulation à la baisse de la sorbitol déshydrogénase (SDH) dans la voie du sorbitol ; nous avons également observé la régulation à la hausse de la transcription de l’estérase cible de la neuropathie (NTE) et la transcription stable de la protéine 5 contenant le domaine de la glycérophosphodiestérase (GDPD5) dans la voie de la glycérophosphocholine (GPC) (Fig. 4 et Tableau supplémentaire 50). Les profils d’expression de ces gènes suggèrent que chez le chameau, le sorbitol et la GPC peuvent s’accumuler dans des conditions de WR et que les osmolytes peuvent être principalement produits par les CMR eux-mêmes. Le sorbitol peut servir de source d’énergie33 et contribuer à équilibrer l’osmolalité d’un NaCl extracellulaire élevé34 ; le coût énergétique de l’accumulation de GPC en réponse à un taux élevé de NaCl ou d’urée dans la médulla rénale30 peut être inférieur à celui du transport de la bétaïne dans les cellules contre un gradient de concentration élevé30. Ainsi, ces variations dans l’expression des gènes liés aux osmolytes indiquent que deux osmolytes plutôt que cinq sont principalement utilisés en réponse à l’hypertonicité dans le cadre d’un modèle de faible consommation d’énergie pour la survie des chameaux dans le désert pauvre en nourriture.

Important, nous avons observé que les niveaux d’expression de GLUT1 (transporteur de glucose 1) et des gènes impliqués dans la glycolyse étaient profondément augmentés dans la médulla rénale dans des conditions de WR (tableau supplémentaire 51). Avec un rapport précédent indiquant que le niveau d’expression de GLUT1 est induit par le stress osmotique et métabolique35, nos résultats suggèrent que l’augmentation de l’apport en glucose assure non seulement une concentration suffisante de glucose pour la synthèse du sorbitol mais fournit également l’énergie nécessaire à la Na/K-ATPase régulée à la hausse pour maintenir le gradient ionique interne pour une hypertonie adaptée (Fig. 4). Collectivement, nos observations suggèrent que la glycémie élevée caractéristique (6-8 mmol l-1)36,37 des chameaux peut être une stratégie évolutive adaptative pour l’osmorégulation et la réabsorption d’eau des CMR pendant l’antidiurèse.

Osmoprotection

Compte tenu du potentiel de dommages hyperosmotiques aux cellules30, nous avons analysé l’expression des gènes liés à la protection des cellules et avons constaté que les niveaux d’expression de 25 gènes codant pour des antioxydants et des enzymes connexes (tableau supplémentaire 52) étaient plus élevés dans la médulla rénale dans des conditions de WR. Les gènes codant pour les facteurs de transcription antioxydants, y compris Nrf2, le facteur de choc thermique-1, le complexe de la protéine-1 activatrice, p53, le facteur nucléaire-κB et le transducteur de signal et l’activateur de la transcription 4, présentaient également une expression élevée dans la médullaire rénale en conditions WR. En outre, nous avons identifié 14 gènes de choc thermique, qui contribuent à l’élimination des protéines mal repliées en cas d’hyperosmolalité30, qui étaient régulés à la hausse dans la médullaire rénale du WR (tableau supplémentaire 52). Le gène clusterin, un chaperon cytoprotecteur, a été considérablement augmenté de ~8,9 fois et avait le niveau de transcription le plus élevé dans la médullaire rénale WR (lectures par kilobase par million de lectures cartographiées = 27 069). Des études antérieures ont montré que la clusterine est induite par le glucose38 et associée à divers états pathologiques, notamment le diabète39 et les lésions rénales40. L’identification de la clusterine en tant que PSG chez le dromadaire suggère que ce gène peut jouer un rôle majeur dans la cytoprotection de la médullaire rénale du dromadaire pendant la restriction hydrique et que le niveau élevé de glucose sanguin chez les dromadaires peut avoir une fonction pendant l’osmoprotection. Dans l’ensemble, la régulation à la hausse des gènes osmoprotecteurs indique que les chameaux ont une capacité osmoprotectrice sophistiquée dans des conditions de WR.