Genomszekvenálás és összeállítás

Egy nőstény baktriai teve (79,3-szoros fedettség), egy hím dromedár (65,0-szoros fedettség) és egy nőstény alpaka (72,5-szörös fedettség) genomját szekvenáltuk az Illumina HiSeq2000 platform segítségével. A baktriai teve jelenlegi becsült genommérete (2,45 Gb) összehasonlítható egy korábbi jelentés K-mer-elemzésen alapuló adatával (2,38 Gb)3 . A három egyed összeszerelt genommérete 2,01, 2,01 és 2,05 Gb volt (1-10. kiegészítő táblázat és 2. és 3. kiegészítő ábra). A baktriai teve jelenlegi összeszerelt genommérete megegyezik a korábban közölt mérettel3. A kontig N50 és a scaffold N50 hossza (1. táblázat) 24,9 kb és 8,7 Mb volt a baktriai teve esetében, 54,1 kb és 4,1 Mb a dromedár esetében, illetve 66,3 kb és 5,1 Mb az alpaka esetében. A vadon élő baktriai teve3 genomjával összehasonlítva e három tevefajta jelenlegi genomja rövidebb N50 hosszúságú, de nagyobb N50 hosszúságú scaffolddal rendelkezik. A 2 kb insertméretű könyvtárak leképezése a scaffoldra azt mutatta, hogy mindegyik genomszekvencia kiváló minőségű (4. kiegészítő ábra és Kiegészítő módszerek), és a baktriai teve transzkriptomja is kiváló minőségű genom-összeállítást mutatott a jelenlegi és a vad baktriai teve3 esetében (11. és 12. kiegészítő táblázat). A tevefélék genomjai nagyfokú szinteniát mutattak az emberi és szarvasmarha referencia genomokkal (lefedettségi arány >83%), és viszonylag alacsony volt a genomi átrendeződés aránya a teveféléken belül (13. és 14. kiegészítő táblázat és Kiegészítő módszerek). A baktriai teve és a szarvasmarha genomjai között a jelen tanulmányban megfigyelt szintenia nagyobb, mint a korábban közöltek3. Vizsgálatunk alátámasztja azt az elképzelést, hogy a tevefélék eltérő evolúciója egyetlen génmutáció vagy kisebb kromoszómaátrendeződések révén történt5. Megbecsültük e három egyed szegmentális duplikációját: a szegmentális duplikáció teljes hossza mind a baktriai teve, mind a dromedár esetében 26 Mb volt, ami kisebb, mint az alpakaé (36 Mb) (15. kiegészítő táblázat). A szegmentális duplikáció e három élőlény között alacsonyabb, mint a szarvasmarhák esetében (94,4 Mb)6.

Genom annotáció

A homológ szekvencia keresések és ab initio génjóslások kombinációjával 20 251, 20 714 és 20 864 gént annotáltunk a baktriai teve, a dromedár és az alpaka genomjában (5. kiegészítő ábra, valamint 16. és 17. kiegészítő táblázat). A genomok és az annotáció teljességének értékelésére a CEGMA-módszert7 használtuk, amely 458 alapvető eukarióta gént tartalmaz. Ezen core gének túlnyomó többsége illeszkedett a tevefélék genomjaihoz (99,12% a baktriai teve, 98,47% a dromedár és 99,12% az alpaka esetében), és a többségük jelen volt az általunk megjósolt génkészletekben (97,82% a baktriai teve, 96,73% a dromedár és 93,87% az alpaka esetében), ami alátámasztja az összeállított genomok és génkészletek azonosításának teljességét (18-20. kiegészítő táblázatok). A három tevefélék génkészletének összehasonlító elemzése nagyfokú génszekvencia-hasonlóságot (>90%), de eltérő nem szinonim/szinonim (Ka/Ks) eloszlást mutatott (6. és 7. kiegészítő ábra). A génkészletek funkcionális elemzései azt mutatták, hogy a gének >91%-a mindegyik genomban funkcionálisan annotált (21-23. kiegészítő táblázatok).

A tevelidák genomjainak ismétlődő szekvencia-tartalma (30,4% a baktriai teve esetében, 32.1% az alpakában és 28,4% a dromedárban) 10%-kal alacsonyabb volt, mint a szarvasmarháé (42,5%) és az emberé (46,1%), ami a tevelidák genomjaiban található rövid interspersed nukleotid elemek kis számának köszönhető (24-27. kiegészítő táblázatok). A baktriai teve genomjának ismétlődő szekvencia-tartalma hasonló volt a korábban közöltekhez3. A nem-kódoló RNS-gének annotációja az egyes genomok esetében hasonló kópiaszámot mutatott (bakteriális teve=1 942; dromedár=2 209; alpaka=2 328; 28-30. kiegészítő táblázatok). Azonosítottunk 12 539 homológ géncsaládot, amelyek a Cetartiodactyla rend 4 fajában (bakteriális teve, dromedár, alpaka és szarvasmarha) közösek: 156, 153 és 296 géncsalád volt specifikus a bakteriális tevére, a dromedárra és az alpakára (1. ábra).

Evolúciós elemzés és filogenetika

A filogenetikai fát a tevefélék (baktriai teve, dromedár és alpaka) és hét másik faj (szarvasmarha, ló, kutya, panda, ember, egér és oposszum) bevonásával építettük fel. A fát a PhyML8 segítségével hoztuk létre a TreeFam9 által azonosított 7 398 egykópiás ortológ génből kivont négyszeresen degenerált kodonhelyek alapján (31. kiegészítő táblázat, valamint a 8. és 9. kiegészítő ábra). A tevefélék és a szarvasmarhák közötti becsült divergenciaidő 42,7 millió évvel ezelőtt (Mya) volt (2. ábra és 10. kiegészítő ábra). Ez az eredmény összhangban van azzal az időponttal (45,9 Mya), amikor a paleontológiai bizonyítékok szerint a Camelidae család először jelent meg Észak-Amerikában10 , de ellentétben áll a szarvasmarha és a baktriai teve vonalának 332 ortológon alapuló korábbi becslésével (55-60 Mya)3 . Az alpaka és a két teve őseinek becsült divergenciaideje (16,3 Mya) összhangban van a paleontológiai eredményekkel, amelyek azt jelzik, hogy a Camelini és Lamini közötti szétválás Észak-Amerikában ~17 Mya történt (hivatkozás 10). A baktriai teve és a dromedár közötti divergencia ideje ~4,4 Mya, ami azt jelenti, hogy valószínűleg azután váltak szét, hogy közös ősük a késő miocénben (7,246-4,9 Mya)10,11 Észak-Amerikából a Bering-isthmuszon keresztül Eurázsiába vándorolt. Elemeztük az ágspecifikus Ka/Ks szubsztitúciós arányokat (ω) erre a tíz emlősre vonatkozóan Kosiol és társai módszerével12: a baktriai teve és a dromedár magasabb ω-értékekkel rendelkezett (11. kiegészítő ábra, 32. kiegészítő táblázat és kiegészítő módszerek). A tevék ilyen gyorsabb evolúciója felveti a sivatagi környezethez való alkalmazkodáshoz szükséges tevespecifikus evolúció lehetőségét.

Heterozigóta arányok és demográfiai előzmények

SNP-ket a SOAPsnp13 segítségével azonosítottuk. A baktriai teve, a dromedár és az alpaka genomjának becsült heterozigóta-rátája 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 és 2,66 × 10-3 volt (33-35. kiegészítő táblázat). A baktriai teve itt becsült heterozigóta aránya hasonló a korábban közöltekhez (1,0 × 10-3 és 1,29 × 10-3)3,4 . A genomi SNP-eloszlások ezen emlősök között eltérőek (12. kiegészítő ábra).

A tevefélék demográfiai történetét az SNP-adatok alapján a páronkénti szekvenciális Markovian coalescent (PSMC) modell14 alkalmazásával konstruáltuk (3. ábra). Elemzésünk eredményei azt mutatták, hogy a baktriai teve őse stabil populációmérettel rendelkezett a 3,69 és 2,61 Mya-ban bekövetkezett két csökkenést követően. A dromedár őse esetében két, 1,72 és 0,77 Mya bekövetkezett populációméret-csökkenést számoltunk ki. A két faj őseinek becsült populációméret-csökkenései összhangban vannak a földtörténeti korszakok közötti átmenetekkel, beleértve a zancleai és a piacenziai (3,60 Mya), a piacenziai és a geláziai (2,59 Mya), a geláziai és a kalábriai (1,81 Mya), valamint a kalábriai és a jón (0,78 Mya) korszakokat15 , ami valószínűsíti a korrelációt. Ezenkívül a dromedár őspopulációjának terjeszkedése 1,25 és 0,77 Mya között történt, ami egybeesik az 1,25 és 0,70 Mya közötti középső pleisztocén átmenettel, a Föld éghajlati ciklikusságában bekövetkezett alapvető változások időszakával16 , amely mélyreható hatással volt a biota elterjedésére és fejlődésére17. Ez az időintervallum egybeesik a galériás emlősök korával is (1,2-0,60 Mya), amelyet az állatvilág megújulása jellemzett, amely egyes esetekben új, a száraz, hideg éghajlathoz alkalmazkodott fajokat hozott létre18; ami azonban még fontosabb, hogy ez az időintervallum egybeesik a Camelidae család maximális diverzitásának idejével is, amely a korai galériában következett be19. Ez az összefüggés alátámasztja a dromedár ősének a környezeti változásokhoz való alkalmazkodását és populációjának a középső pleisztocén átmenet alatti terjeszkedését. A baktriai teve őse populációjának legutóbbi csökkenése ~60 ezer évvel ezelőtt (Kya) következett be, ami megfelel a modern ember Afrikából Eurázsiába, a baktriai teve hazájába20 történő szétszóródásának. Ezért az emberi tevékenység hatással lehetett a baktriai teve közelmúltbeli őspopulációjára.

Az alpaka ősének effektív populációmérete fokozatosan csökkent ~5.37 Mya, ami közelebb esik a messiniai és a zancleai szakasz (5,33 Mya)15 időhatárához, és 2,09 Mya, ami az uquiai korszakba esik (3-1,2 Mya), amelynek során az alpaka őse a Nagy-Amerikai Biotikus Csere21 során a panamai földhídon keresztül Dél-Amerikába vándorolt. Ez arra utal, hogy a vándorlás hozzájárulhatott az alpaka őse populációnagyságának csökkenéséhez. Ezután a pleisztocén során a populáció mérete bővült, majd három nagyobb szűk keresztmetszetű időszak következett 501, 139 és 44 Kya előtt. A populáció ~72 Kya-ban jelentős terjeszkedésen ment keresztül, elérve a ~113 × 104 egyedet. A legutóbbi szűkület (44 Kya) az utolsó glaciális maximumnak (48-25 Kya) felel meg, amely Dél-Amerikában volt előrehaladott22 , és a populáció méretének drámai csökkenését eredményezte ~1,2 × 104 egyedre. Ez arra utal, hogy az akkori dél-amerikai hideg körülmények a pleisztocén vége felé az alpaka őse populációméretének beszűkülését eredményezhették.

Génfejlődés

A következőkben a környezethez való alkalmazkodás hátterében álló tevegéneket vizsgáltuk. A CAFÉ23-t alkalmaztuk az evolúció során jelentős bővülésen és szűkülésen átesett géncsaládok azonosítására (2. ábra és Kiegészítő módszerek), és 373 bővült és 853 szűkülő géncsaládot azonosítottunk a dromedár genomban, 183 bővült és 753 szűkülő géncsaládot a baktriai teve genomjában, valamint 501 bővült és 2189 szűkülő géncsaládot az alpaka genomjában. E három tevefélékben a kibővített géncsaládok közül sok géncsalád jelentősen feldúsult a sejtfolyamat, sejtrész, szaglóreceptor-aktivitás, vas és immunrendszerrel kapcsolatos Gene Ontology (GO) kategóriákban (13-15. kiegészítő ábra és 36-38. kiegészítő táblázat). A baktriai tevében 287 pozitívan szelektált gént (PSG) azonosítottunk (Kiegészítő adatok 1), a dromedárban 324 PSG-t (Kiegészítő adatok 2) és 151 PSG-t, amelyek mindkét genomban közösek voltak, ami hasonló szelekciós nyomásra utal. A 23 fajban jelen lévő ortológ gének egyedi aminosavmaradvány-változásainak értékelése 350, illetve 343 megváltozott gént azonosított a baktriai tevében és a dromedárban. A tevéknél az egyedi aminosavmaradvány-változásokat mutató gének több felülreprezentált kategóriája a katalitikus aktivitáshoz, a kis molekulák kötődéséhez és az ATP-kötődéshez kapcsolódott (16. és 17. kiegészítő ábra, valamint 39. és 40. kiegészítő táblázat). A szintenikus blokkok elemzése alapján a baktriai tevében 190, a dromedárban pedig 126 nyert gént azonosítottak. Ezek a nyert gének jelentősen feldúsultak a szaglással és az immunrendszerrel kapcsolatos kategóriákban (41. és 42. kiegészítő táblázat, valamint Kiegészítő módszerek).

Energia- és zsíranyagcsere

Mivel az energia fontos a táplálékhiányos sivatagokban élő tevék számára, az energiával kapcsolatos folyamatokban részt vevő gének kiválasztását elemeztük. Az adaptáció genomszintű jellemzőit GO-kategóriák alapján azonosítottuk a vonal-specifikus gyorsított evolúcióval (Kiegészítő adatok 3-14). A szarvasmarhával ellentétben a három tevefélék közös, gyorsan fejlődő GO-kategóriái közé tartozott az inzulin stimulusra adott sejtválasz (GO:0032869, P<0,001) és az inzulinreceptor jelátviteli útvonal (GO:0008286, P<0,001) (Kiegészítő adatok 4, 8 és 14). Ezenkívül számos olyan kategóriát azonosítottunk, amelyek az energia-, glükóz- és zsíranyagcseréhez kapcsolódnak, és amelyek gyorsabban fejlődtek ezekben a tevefélékben, mint a szarvasmarhákban. Az energiával kapcsolatos GO-kategóriák némelyike, amelyek gyorsabban fejlődtek a baktriai tevében, mint a szarvasmarhában, összhangban van a korábban közöltekkel3. Ezenkívül 13, a mitokondriumok működésében, a β-oxidációban, valamint a koleszterinszintézisben és -szállításban részt vevő gén aminosav-maradványainak változása csak a baktriai tevénél és a dromedárnál volt megfigyelhető. Több, a zsíranyagcserében szerepet játszó gén (ACC2, DGKZ és GDPD4) bővülésen ment keresztül a baktriai teve genomjában, míg a dromedár bővült géncsaládjai a mitokondrium (GO:0005739, P=2,30 × 10-5) kategóriában gazdagodtak (37. kiegészítő táblázat).

A három tevefaj eltérő számú púpja tükrözheti a zsíranyagcsere eltérő képességeit. Az ATP-vel (GO:0006200, GO:0016887, GO:0042626, P<0.01), mitokondriumokkal (GO:0005739, GO:0005759, P<0.01), lipidszállítással (GO:0006869, PBactrian teve=5.33 × 10-5, Pdromedary=0,00016) és az inzulin stimulusra adott válasz (GO:0032868, PBactrian teve=0,0005, Pdromedary=1,33 × 10-5) mindkét tevefajban gyorsan fejlődött az alpakához képest (43. kiegészítő táblázat). A lipidanyagcserével kapcsolatos kategóriák gyorsabban fejlődtek a baktriai tevében, mint a dromedárban, például a lipidkatabolikus folyamat (GO:0016042, P=0,0015) és a zsírsejtek differenciálódása (GO:0045444, P=2,54 × 10-9) (44. kiegészítő táblázat). Ezek a gének fokozhatják a teve sivatagi energiatárolási és termelési kapacitását, és a zsíranyagcsere különbségét is tükrözhetik, ami viszont összefügg a púpok számával.

Stresszválasz

A száraz és forró környezethez való alkalmazkodás vizsgálatához tovább elemeztük a stresszválaszban szerepet játszó géneket. A szarvasmarhával összehasonlítva a DNS-károsodással és javítással (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0.01), apoptózissal (GO:0006917, GO:0043066, P<0.01), fehérje stabilizációval (GO:0050821, PBactrian teve=0.00021, Pdromedary=3,44 × 10-19) és az immunválaszok (GO:0006955, GO:0051607, P<0,01) mindkét tevefajban gyorsított fejlődést mutattak (8. és 14. kiegészítő adat). Az alpakához képest szignifikáns funkcionális kategóriákat azonosítottak a T-sejtek ko-stimulációjára (GO:0031295, PBactrian teve=8,67 × 10-32, Pdromedary=9,33 × 10-9), az oxidációs-redukciós folyamatokra (GO:0055114, PBactrian teve=4.88 × 10-15, Pdromedary=5,22 × 10-21) és oxidoreduktáz aktivitás (GO:0016491, PBactrian camel=2,27 × 10-10, Pdromedary=7,23 × 10-7), amelyek mindegyike gyorsított fejlődést mutatott mindkét tevében (6. és 12. kiegészítő adat). Három gén (ERP44, NFE2L2 és MGST2) az oxidatív stresszre adott válaszokkal korrelált, és mindkét teve genomjában egyedi aminosavmaradvány-változásokat mutatott. A dromedár kibővült géncsaládjai a citokróm c oxidáz aktivitás (GO:0004129, P=5,80 × 10-10) és a monooxigenáz aktivitás (GO:0004497, P=1,32 × 10-5) tekintetében gazdagodtak (37. kiegészítő táblázat). Ezek az eredmények bizonyítják a tevék szelekcióját a sivatagi környezet zord, száraz körülményeihez való alkalmazkodás érdekében.

A légzőrendszer alkalmazkodása

A sivatagi környezet másik kihívása a levegőben szálló por, amely légzőszervi betegségekhez, például asztmához vezethet. Mindkét teve tizenhárom PSG-je, köztük a FOXP3, a CX3CR1, a CYSLTR2 és a SEMA4A, kapcsolatban állt az emberek légzőszervi betegségeivel. Azt is találtuk, hogy a tüdőfejlődés GO-kategória (GO:0030324, PBactrian teve=3,26 × 10-5, Pdromedary=1,18 × 10-19) (Kiegészítő adatok 6 és 12) gyorsan fejlődött a dromedár és a baktriai teve esetében az alpakához képest. Ezeknek a géneknek a szelekciója további bizonyítékot szolgáltat a tevék alkalmazkodására a sivatagi környezet kihívásainak elviseléséhez.

A látórendszer alkalmazkodása

A sivatagi környezet másik aspektusa a napsugárzás. Az ultraibolya sugárzásnak való hosszú távú kitettség számos szemészeti betegséghez vezethet. Megvizsgáltuk azokat a géneket, amelyek hozzászoktathatják a tevék szemét a sivatagi szélsőséges napsugárzáshoz, és pozitív szelekciót azonosítottunk az OPN1SW, CX3CR1 és CNTFR géneknél, amelyek a fényérzékeléssel és a látásvédelemmel kapcsolatosak, mindkét tevénél. Az eredmények azt is jelezték, hogy a vizuális érzékelés (GO:0007601, PBactrian teve=0,0018, Pdromedary=2,49 × 10-14) mindkét tevénél gyorsan fejlődött az alpakához képest (6. és 12. kiegészítő adat). Ezek az eredmények arra utalnak, hogy genetikai alapja van annak a képességnek, hogy a tevék a látórendszer károsodása nélkül képesek elviselni az ultraibolya fénynek való tartós kitettséget.

Sóanyagcsere

A továbbiakban a tevék sóanyagcseréjére összpontosítottunk, figyelembe véve a só vízháztartásra gyakorolt fő hatását. A sótűrésről szóló korábbi jelentéssel3 ellentétben eredményeink azt mutatták, hogy a nátriumion-transzport (GO:0006814, PBactrian teve=0,0014, Pdromedary=0,00012) kategóriája mindkét tevében gyorsabban fejlődött, mint a szarvasmarhában (8. és 14. kiegészítő adat). A feszültségkapcsolt káliumcsatorna-komplexhez kapcsolódó kategória (GO:0008076, PBactrian teve=8,77 × 10-8, Pdromedary=2,68 × 10-10) mindkét tevében gyorsabban fejlődött, mint az alpakában (6. és 12. kiegészítő adat). Figyelemre méltó, hogy a baktriai teve genomja két példányban tartalmazza az NR3C2 és az IRS1 gént, amelyek mindkettő kritikus szerepet játszik a nátrium reabszorpciójában és a vese vízháztartásában24,25,26 , míg más emlősök csak egy-egy példányban rendelkeznek mindkét génből. Ez a különbség arra utal, hogy a tevék hatékonyabban metabolizálhatják és szállíthatják a sót, mint az alpaka és a szarvasmarha, és ezek az útvonalak fontosak a vízvisszaszívásban.

Differenciálisan expresszált gének és gazdagodási elemzés

A száraz sivataghoz való alkalmazkodás jellemzőinek jobb megismerése érdekében szekvenáltuk a vese kérgi és medulláris transzkriptomját egy csoport baktriai teve 24 napos vízkorlátozás (WR) után, valamint egy kontrollcsoport (CG) transzkriptomját (45. kiegészítő táblázat, valamint 15. és 16. kiegészítő adatok). Kiválasztottuk a szignifikánsan fel- vagy leregulált géneket ezekben a szövetekben (18-21. kiegészítő ábra és Kiegészítő módszerek), majd elemeztük e gének feldúsult GO-kategóriáit (22-25. kiegészítő ábra, 17-20. kiegészítő adatok és Kiegészítő módszerek). A fémionok megkötésével (GO:0046872, P=1,53 × 10-23) és a testfolyadék szintjének szabályozásával (GO:0050878, P=1,37 × 10-6) kapcsolatos kategóriák felülreprezentáltságát észleltük a felregulált vesekéreg-gének halmazában (17. kiegészítő adatok). A glükóz anyagcsere-folyamathoz (GO:0006006, P=4,11 × 10-6), a glükoneogenezishez (GO:0006094, P=0,0026), a mitokondriumhoz (GO:0005739, P=2,13 × 10-5), a prekurzor metabolitok és energia előállításához (GO:0006091, P=0,0077), a tápanyagszintre adott válaszhoz (GO:0031667, P=0,0064) és a stresszre adott válaszhoz (GO:0006950, P=0,0026) kapcsolódó GO kategóriák (GO:0006950, P=0.0094) gazdagodtak a felszabályozott vese medulláris gének halmazában (Kiegészítő adatok 19).

Nátrium reabszorpció

A Na+/K+-ATPázt és az epiteliális Na+-csatornát (ENaC) kódoló gének, amelyek a vesében nátriumot reabszorbeálnak, WR körülmények között felszabályozódtak a vese kéregben és medullában (Kiegészítő táblázatok 46 és 47). Az ENaC alegységeinek rugalmas átíródása a különböző szövetekben és különböző körülmények között arra utal, hogy a teve szabályozza az ENaC Na+ reabszorbeáló aktivitását, hogy megbirkózzon a különböző fiziológiai vízigényekkel. Ezek az eredmények arra utalnak, hogy a nátrium-reabszorpció szabályozása alapvető fontosságú lehet a tevék túléléséhez vízhiányos környezetben.

Vízfoglalás

A teve híres a hosszan tartó vízkorlátozáshoz való alkalmazkodásáról. Ezért megvizsgáltuk a vízfoglalás mechanizmusát az aquaporin család génjeinek transzkripcióját elemezve, amelyek szelektív vízcsatornák, és fontos szerepet játszanak a vízvisszaszívásban és az anyagcserében. Az AQP1, az AQP2 és az AQP3 volt a három legjobban eltérő módon expresszálódó gén a vese kéregben és a medullában WR körülmények között (48. és 49. kiegészítő táblázat, valamint 26. kiegészítő ábra). Ezek a gének lehetővé tehetik a tevék számára a víz hatékonyabb visszaszívását vízhiányos környezetben. Ugyanakkor nem mutattunk ki AQP4 mRNS-t a bakteriális teve veséjében, ami összhangban van a sivatagi rágcsáló Dipodomys merriami merriami27 expressziójának hiányával, de ellentétben az emberi vesében való bőséges expressziójával28. Érdekes módon a bakteriális teve genomjában az AQP4-ben egy egyedi aminosavmaradék-változást (R261C) figyeltek meg (27. kiegészítő ábra). Ezek az eredmények a tevevese vízvisszaszívásának és metabolizmusának egyedi stratégiájára utalhatnak.

Ozmoreguláció

Mivel a hipertónia a vese vízháztartásának és vízvisszaszívásának alapja, ezért elemeztük az osmoregulációban szerepet játszó gének expresszióját a vese medullában. Az aktivált T-sejtek nukleáris faktorának 5. faktorát (NFAT5), az emlősök egyetlen ismert tonicitás-szabályozott transzkripciós faktorát29 , WR körülmények között a kontrollszint 3,66%-án fejeződött ki (50. kiegészítő táblázat). Ennek megfelelően a nátrium/mio-inozitol kotranszporter (SMIT), a nátrium- és kloridfüggő taurin transzporter (TauT) és a nátrium- és kloridfüggő bétaintranszporter (BGT1) csökkent expressziót mutatott WR körülmények között. Ez a három transzaktivált NFAT5 által transzaktivált transzporter kompatibilis szerves ozmolitokat szállít a vese medulláris sejtekbe (RMCs) hipertónia hatására30 (4. ábra). Az NFAT5 és célgénjeinek downregulációját hipertóniás stressz során nem figyelték meg más emlősökben29,31 , beleértve a sivatagi állatokat, mint például a Spinifex ugráló egér (Notomys alexis)32 . Eredményeink arra utalnak, hogy a tevék más ozmoregulációs stratégiákra támaszkodhatnak a hipertóniás stressz elleni védelem érdekében a hosszú távú vízkorlátozás során.

Organikus ozmolitok

A szerves ozmolitok felhalmozódása segíti az RMC-ket az intracelluláris és extracelluláris környezet közötti ozmotikus nyomás kiegyensúlyozásában30. A TauT, a BGT1 és a SMIT downregulációja azt jelenti, hogy a taurin, a betain és a myo-inozitol sejtekbe történő transzportja csökken. Figyelemre méltó módon megfigyeltük az aldóz-reduktáz (AR) transzkripciós upregulációját és a szorbitol-dehidrogenáz (SDH) downregulációját a szorbitol-útvonalban; megfigyeltük továbbá a neuropathia target-észteráz (NTE) transzkripciós upregulációját és a glicerofoszfoszfodiészter foszfodiészteráz domént tartalmazó protein 5 (GDPD5) stabil transzkripcióját a glicerofoszfokolin (GPC) útvonalban (4. ábra és 50. kiegészítő táblázat). E gének expressziós mintázata arra utal, hogy a tevében a szorbit és a GPC WR körülmények között felhalmozódhat, és hogy az ozmolitokat elsősorban maguk az RMC-k termelhetik. A szorbit energiaforrásként szolgálhat33 és segíthet a magas extracelluláris NaCl34 ozmolalitásának kiegyenlítésében; a GPC felhalmozódásának energetikai költsége a magas NaCl- vagy karbamidszintre adott válaszként a vese medullában30 kisebb lehet, mint a bétaint a sejtekbe szállítani a magas koncentrációs gradiens ellen30. Így az ozmolitokkal kapcsolatos gének expressziójának ezen eltérései arra utalnak, hogy a tevék túlélését a táplálékhiányos sivatagban biztosító alacsony energiafogyasztású modell részeként a hipertónia hatására elsősorban két ozmolitot használnak, nem pedig ötöt.

Fontos, hogy megfigyeltük, hogy a GLUT1 (glükóz transzporter 1) és a glikolízisben részt vevő gének expressziós szintje WR körülmények között mélyen megnőtt a vesekéregben (51. kiegészítő táblázat). Egy korábbi jelentéssel együtt, amely szerint a GLUT1 expressziós szintjét ozmotikus és metabolikus stressz indukálja35 , eredményeink arra utalnak, hogy a glükózfelvétel fokozása nemcsak a szorbit szintéziséhez elegendő glükózkoncentrációt biztosít, hanem a felszabályozott Na/K-ATPáz számára a belső iongradiens fenntartásához szükséges energiát is biztosítja az adaptált hipertónia fenntartásához (4. ábra). Megfigyeléseink összességében arra utalnak, hogy a tevékre jellemző magas vércukorszint (6-8 mmol l-1)36,37 adaptív evolúciós stratégia lehet az ozmoregulációhoz és az RMC-k vízvisszaszívásához az antidiurézis során.

Ozmoprotekció

A sejtek hiperozmotikus károsodásának30 lehetősége miatt elemeztük a sejtvédelemmel kapcsolatos gének expresszióját, és azt találtuk, hogy 25 antioxidánsokat és kapcsolódó enzimeket kódoló gén expressziós szintje (52. kiegészítő táblázat) magasabb volt a vesekéregben WR körülmények között. Az antioxidatív transzkripciós faktorokat kódoló gének, köztük az Nrf2, a hősokkfaktor-1, az aktivátor protein-1 komplex, a p53, a nukleáris faktor-κB és a transzkripció jelátvivő és aktivátor 4 szintén emelkedett expressziót mutattak a WR-veseagyonban. Ezen túlmenően 14 hősokk gént azonosítottunk, amelyek hozzájárulnak a félrecsúszott fehérjék eltávolításához hiperozmolalitás30 alatt, és amelyek felfelé szabályozódtak a WR vese medullában (52. kiegészítő táblázat). A clusterin gén, egy citoprotektív chaperon, drámaian, ~8,9-szeresére növekedett, és a WR vese medullában volt a legmagasabb transzkripciós szintje (olvasatok kilobázisonként egymillió leképezett olvasatra vetítve = 27 069). Korábbi tanulmányok kimutatták, hogy a klaszterint a glükóz38 indukálja, és különféle patológiás állapotokhoz, többek között a cukorbetegséghez39 és a vesekárosodáshoz40 kapcsolódik. A klaszterin PSG-ként való azonosítása a dromedárban arra utal, hogy ez a gén fontos szerepet játszhat a teve vesemedulla citoprotekciójában a vízkorlátozás során, és hogy a tevék magas vércukorszintje az ozmoprotekció során funkciót tölthet be. Összességében az ozmoprotektív gének upregulációja azt jelzi, hogy a tevék kifinomult ozmoprotektív képességgel rendelkeznek WR körülmények között.