Sequenziamento e assemblaggio del genoma

Abbiamo sequenziato i genomi di un cammello bactriano femmina (copertura 79,3 volte), un dromedario maschio (copertura 65,0 volte) e un alpaca femmina (copertura 72,5 volte) usando la piattaforma Illumina HiSeq2000. L’attuale dimensione stimata del genoma del cammello bactriano (2,45 Gb) è paragonabile a quella di un rapporto precedente (2,38 Gb) basato sull’analisi K-mer3. Le dimensioni del genoma assemblato per i tre individui erano 2.01, 2.01 e 2.05 Gb, rispettivamente (Tabelle supplementari 1-10 e Figure supplementari 2 e 3). L’attuale dimensione del genoma assemblato per il cammello bactriano è identica alla dimensione precedentemente riportata3. Il contig N50 e scaffold N50 lunghezze (Tabella 1) erano 24.9 kb e 8.7 Mb per il cammello bactriano, 54.1 kb e 4.1 Mb per il dromedario, e 66.3 kb e 5.1 Mb per l’alpaca, rispettivamente. Rispetto al genoma del cammello bactriano selvatico3, i genomi attuali di questi tre camelidi hanno lunghezze N50 di contig più corte ma lunghezze N50 di scaffold più grandi. La mappatura delle librerie con una dimensione dell’inserto di 2 kb allo scaffold ha indicato che ciascuna delle sequenze del genoma era di alta qualità (Fig. 4 supplementare e metodi supplementari), e il trascrittoma del cammello bactriano ha anche dimostrato un assemblaggio del genoma di alta qualità per il cammello bactriano attuale e selvatico3 (Tabelle supplementari 11 e 12). I genomi dei camelidi hanno condiviso un’alta sintenia con i genomi di riferimento umani e bovini (tasso di copertura >83%) e un tasso relativamente basso di riarrangiamento genomico all’interno dei Camelidae (tabelle supplementari 13 e 14, e metodi supplementari). La sintenia tra i genomi del cammello bactriano e dei bovini osservata nel presente studio è maggiore di quella riportata in precedenza3. Il nostro studio supporta la nozione che l’evoluzione divergente in Camelidae si è verificato attraverso mutazioni singolo gene o riarrangiamenti cromosomici minori5. Abbiamo stimato la duplicazione segmentale di questi tre individui: la lunghezza totale della duplicazione segmentale sia nel cammello bactriano che nel dromedario era di 26 Mb, inferiore a quella dell’alpaca (36 Mb) (Tabella supplementare 15). La duplicazione segmentale tra questi tre organismi è inferiore a quella riportata nei bovini (94,4 Mb)6.

Annotazione del genoma

Utilizzando una combinazione di ricerche di sequenze omologhe e previsioni di geni ab initio, abbiamo annotato 20.251, 20.714 e 20.864 geni nei genomi del cammello bactriano, dromedario e alpaca, rispettivamente (Fig. 5 supplementare e Tabelle 16 e 17 supplementari). Abbiamo usato il metodo CEGMA7, che comprende 458 geni eucarioti di base, per valutare la completezza dei genomi e delle annotazioni. La stragrande maggioranza di questi geni fondamentali sono stati allineati ai genomi dei camelidi (99,12% per il cammello bactriano, 98,47% per il dromedario e 99,12% per l’alpaca), e la maggior parte erano presenti nei nostri set di geni previsti (97,82% per il cammello bactriano, 96,73% per il dromedario e 93,87% per l’alpaca), sostenendo la completezza dei genomi assemblati e l’identificazione dei set di geni (Tabelle supplementari 18-20). Le analisi comparative dei tre insiemi genici dei camelidi hanno rivelato un’alta somiglianza di sequenza genica (>90%) ma diverse distribuzioni non sinonimi/sinonimi (Ka/Ks) (Figure supplementari 6 e 7). Le analisi funzionali dei set di geni hanno indicato che >91% dei geni sono stati annotati funzionalmente in ogni genoma (Tabelle supplementari 21-23).

Il contenuto di sequenze ripetute dei genomi dei camelidi (30,4% nel cammello bactriano, 32.1% nell’alpaca e 28,4% nel dromedario) era del 10% inferiore a quello dei bovini (42,5%) e degli esseri umani (46,1%) a causa del piccolo numero di elementi nucleotidici brevi interspersi nei genomi dei camelidi (tabelle supplementari 24-27). Il contenuto di sequenze ripetute del genoma del cammello bactriano era simile a quello riportato in precedenza3. L’annotazione dei geni RNA non codificanti ha rivelato un numero di copie simile per ogni genoma (cammello bactriano=1.942; dromedario=2.209; alpaca=2.328; Tabelle supplementari 28-30). Abbiamo identificato 12.539 famiglie di geni omologhi che sono condivisi da 4 specie dell’ordine Cetartiodactyla (cammello bactriano, dromedario, alpaca e bovini): 156, 153 e 296 famiglie di geni erano specifici del cammello bactriano, dromedario e alpaca, rispettivamente (Fig. 1).

Analisi evolutiva e filogenesi

Un albero filogenetico è stato costruito includendo i camelidi (cammello bactriano, dromedario e alpaca) e altre sette specie (bovino, cavallo, cane, panda, uomo, topo e opossum). L’albero è stato generato utilizzando PhyML8 sulla base di siti di codoni degenerati quadruplicati estratti da 7.398 geni ortogonali a copia singola identificati da TreeFam9 (Tabella 31 supplementare e Figure 8 e 9 supplementari). Il tempo stimato di divergenza tra camelidi e bovini è di 42,7 milioni di anni fa (Mya) (Fig. 2 e Fig. supplementare 10). Questo risultato è coerente con il tempo (45.9 Mya) in cui l’evidenza paleontologica indica che la famiglia Camelidae apparve per la prima volta in Nord America10 ma è in contrasto con una stima precedente del tempo di divergenza dei bovini e cammelli Bactrian stirpi basate su 332 ortologhi (55-60 Mya)3. Il tempo stimato di divergenza degli antenati dell’alpaca e dei due cammelli (16,3 Mya) è coerente con i risultati paleontologici, che indicano che la divisione tra Camelini e Lamini è avvenuta in Nord America ~17 Mya (rif. 10). Il tempo di divergenza tra il cammello bactriano e il dromedario è ~4.4 Mya, il che implica che probabilmente si sono separati dopo che il loro antenato comune è migrato dal Nord America all’Eurasia attraverso l’istmo di Bering durante il tardo Miocene (7.246-4.9 Mya)10,11. Abbiamo analizzato i rapporti di sostituzione Ka/Ks specifici del ramo (ω) per questi dieci mammiferi usando il metodo di Kosiol et al.12: il cammello bactriano e il dromedario avevano valori ω più alti del ramo (fig. 11 supplementare, tabella 32 supplementare e metodi supplementari). Questa evoluzione accelerata nei cammelli solleva la possibilità di un’evoluzione specifica del cammello per adattarsi ad un ambiente desertico.

Tassi eterozigoti e storia demografica

SNPs sono stati identificati utilizzando SOAPsnp13. I tassi di eterozigote stimati dei genomi del cammello bactriano, dromedario e alpaca erano 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 e 2,66 × 10-3, rispettivamente (tabelle supplementari 33-35). Il tasso di eterozigote del cammello bactriano stimato qui è paragonabile a quello riportato in precedenza (1,0 × 10-3 e 1,29 × 10-3)3,4. Le distribuzioni genomiche SNP tra questi mammiferi sono diverse (Fig. 12 supplementare).

La storia demografica di questi camelidi è stata costruita sulla base dei dati SNP applicando il modello pair-wise sequentially Markovian coalescent (PSMC)14 (Fig. 3). I risultati della nostra analisi hanno indicato che l’antenato del cammello bactriano aveva dimensioni di popolazione stabili dopo due cali che si sono verificati 3.69 e 2.61 Mya. Per l’antenato del dromedario sono stati calcolati due declini nelle dimensioni della popolazione che si sono verificati 1,72 e 0,77 Mya. Questi declini stimati nelle dimensioni della popolazione degli antenati di entrambe le specie sono coerenti con le transizioni tra le ere geologiche, tra cui lo Zanclean e il Piacenziano (3,60 Mya), il Piacenziano e il Gelasiano (2,59 Mya), il Gelasiano e il Calabrese (1,81 Mya), e il Calabrese e lo Ionio (0,78 Mya)15, suggerendo una probabile correlazione. Inoltre, l’espansione della popolazione ancestrale del dromedario avvenne tra 1,25 e 0,77 Mya, in coincidenza con la transizione del Pleistocene medio da 1,25 a 0,70 Mya, un periodo di cambiamenti fondamentali nella ciclicità climatica della Terra16 che ebbe un profondo effetto sulla distribuzione e l’evoluzione del biota17. Questo intervallo di tempo coincide anche con l’età galeriana dei mammiferi (da 1,2 a 0,60 Mya), che fu caratterizzata da un rinnovamento della fauna che, in alcuni casi, diede origine a nuove specie che si adattarono a climi aridi e freddi18; più importante, però, questo intervallo di tempo coincide anche con la massima diversità della famiglia Camelidae, che si verificò nei primi Galeriani19. Questa correlazione sostiene l’adattamento dell’antenato del dromedario ai cambiamenti ambientali e un’espansione della sua popolazione durante la transizione del Pleistocene medio. La più recente diminuzione della popolazione dell’antenato del cammello bactriano è avvenuta circa 60 mila anni fa (Kya), che corrisponde alla dispersione degli esseri umani moderni dall’Africa all’Eurasia20, patria del cammello bactriano. Pertanto, le attività umane possono aver avuto un impatto sulla recente popolazione ancestrale del cammello bactriano.

La dimensione effettiva della popolazione dell’antenato dell’alpaca diminuì gradualmente tra ~5.37 Mya, che è più vicino al confine temporale dello stadio Messiniano e Zancleano (5,33 Mya)15, e 2,09 Mya, che è nell’età Uquiana (da 3 a 1,2 Mya), durante la quale l’antenato dell’alpaca migrò in Sud America attraverso il ponte di terra Panamense nel Grande Scambio Biotico Americano21. Questo suggerisce che la migrazione può aver contribuito alla riduzione delle dimensioni della popolazione dell’antenato dell’alpaca. La dimensione della sua popolazione si è poi espansa durante il Pleistocene, seguita da tre periodi di grandi colli di bottiglia prima di 501, 139 e 44 Kya. La popolazione ha subito una grande espansione ~72 Kya, raggiungendo una dimensione di ~113 × 104 individui. Il collo di bottiglia più recente (44 Kya) corrisponde all’Ultimo Massimo Glaciale (48-25 Kya), che è stato avanzato in Sud America22, e ha portato a una drastica riduzione delle dimensioni della popolazione a ~ 1,2 × 104 individui. Questo implica che le condizioni di freddo in Sud America in quel periodo possono aver portato alla costrizione delle dimensioni della popolazione dell’antenato dell’alpaca verso la fine del Pleistocene.

Evoluzione genica

Allora abbiamo studiato i geni dei camelidi che sono alla base dell’adattamento all’ambiente. Abbiamo adottato CAFÉ23 per identificare le famiglie di geni che hanno subito una significativa espansione e contrazione durante l’evoluzione (Fig. 2 e metodi supplementari) e abbiamo identificato 373 famiglie di geni espansi e 853 famiglie di geni contratti nel genoma del dromedario, 183 famiglie di geni espansi e 753 famiglie di geni contratti nel genoma del cammello Bactrian e 501 famiglie di geni espansi e 2.189 famiglie di geni contratti nel genoma dell’alpaca. Molte delle famiglie di geni espanse in questi tre camelidi sono significativamente arricchite nelle categorie Gene Ontology (GO) relative ai processi cellulari, alla parte cellulare, all’attività del recettore olfattivo, al ferro e al sistema immunitario (Figure supplementari 13-15 e Tabelle supplementari 36-38). Abbiamo identificato 287 geni selezionati positivamente (PSG) nel cammello bactriano (Dati supplementari 1), 324 PSG nel dromedario (Dati supplementari 2) e 151 PSG che erano comuni a entrambi i genomi, indicando pressioni selettive simili. Una valutazione dei cambiamenti unici di residui aminoacidici in geni ortologhi presenti in 23 specie ha identificato 350 e 343 geni alterati nel cammello bactriano e nel dromedario, rispettivamente. Diverse categorie sovrarappresentate di geni con cambiamenti di residui aminoacidici unici nei cammelli erano legate all’attività catalitica, al legame di piccole molecole e al legame ATP (Figg. 16 e 17 supplementari e Tabelle 39 e 40 supplementari). Sulla base di un’analisi dei blocchi sintenici, 190 geni guadagnati sono stati identificati nel cammello bactriano e 126 nel dromedario. Questi geni acquisiti sono significativamente arricchiti nelle categorie dell’olfatto e del sistema immunitario (Tabelle supplementari 41 e 42, e Metodi supplementari).

Metabolismo energetico e dei grassi

Poiché l’energia è importante per i cammelli che vivono in deserti poveri di cibo, è stata analizzata la selezione dei geni coinvolti nei processi legati all’energia. Le caratteristiche di adattamento a livello genomico sono state identificate da categorie GO con evoluzione accelerata specifica del lignaggio (dati supplementari 3-14). In contrasto con i bovini, le categorie GO comuni in rapida evoluzione dei tre camelidi includevano la risposta cellulare allo stimolo dell’insulina (GO:0032869, P<0.001) e la via di segnalazione del recettore dell’insulina (GO:0008286, P<0.001) (Dati supplementari 4, 8 e 14). Inoltre, abbiamo identificato una serie di categorie associate al metabolismo dell’energia, del glucosio e dei grassi che si sono evolute più rapidamente in questi camelidi che nei bovini. Alcune delle categorie GO legate all’energia identificate come evolute più rapidamente nel cammello bactriano che nei bovini sono coerenti con quelle riportate in precedenza3. Inoltre, 13 geni coinvolti nella funzione mitocondriale, nella β-ossidazione e nella sintesi e nel trasporto del colesterolo avevano cambiamenti di residui aminoacidici che erano unici nel cammello bactriano e nel dromedario. Diversi geni (ACC2, DGKZ e GDPD4) coinvolti nel metabolismo dei grassi hanno subito un’espansione nel genoma del cammello bactriano, mentre le famiglie di geni espanse del dromedario erano arricchite nella categoria del mitocondrio (GO:0005739, P=2.30 × 10-5) (Tabella supplementare 37).

Il diverso numero di gobbe in questi tre camelidi può riflettere le loro distinte capacità di metabolismo dei grassi. Categorie funzionali associate con ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:0042626, P<0.01), mitocondri (GO:0005739, GO:0005759, P<0.01), trasporto di lipidi (GO:0006869, PBactrian camel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0.00016) e la risposta allo stimolo dell’insulina (GO:0032868, PBactrian camel=0.0005, Pdromedary=1.33 × 10-5) si sono evoluti rapidamente in entrambe le specie di cammello rispetto all’alpaca (Tabella supplementare 43). Le categorie associate al metabolismo dei lipidi si sono evolute più rapidamente nel cammello bactriano che nel dromedario, per esempio, il processo catabolico dei lipidi (GO:0016042, P=0.0015) e la differenziazione delle cellule grasse (GO:0045444, P=2.54 × 10-9) (Tabella supplementare 44). Questi geni possono aumentare l’immagazzinamento di energia e la capacità di produzione di un cammello nel deserto e possono anche riflettere una differenza nel metabolismo dei grassi ed essere a loro volta legati al numero di gobbe.

Risposta allo stress

Per studiare gli adattamenti agli ambienti aridi e caldi, abbiamo ulteriormente analizzato i geni coinvolti nelle risposte allo stress. Rispetto ai bovini, le categorie associate al danno e alla riparazione del DNA (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0.01), all’apoptosi (GO:0006917, GO:0043066, P<0.01), alla stabilizzazione delle proteine (GO:0050821, PBactrian camel=0.00021, Pdromedary=3.44 × 10-19) e le risposte immunitarie (GO:0006955, GO:0051607, P<0.01) hanno mostrato un’evoluzione accelerata in entrambe le specie di cammello (dati supplementari 8 e 14). Rispetto all’alpaca, sono state identificate categorie funzionali significative per la co-stimolazione delle cellule T (GO:0031295, PBactrian camel=8.67 × 10-32, Pdromedary=9.33 × 10-9), processi di ossido-riduzione (GO:0055114, PBactrian camel=4.88 × 10-15, Pdromedary=5.22 × 10-21) e attività ossidoreduttasi (GO:0016491, PBactrian camel=2.27 × 10-10, Pdromedary=7.23 × 10-7), che hanno tutti mostrato un’evoluzione accelerata in entrambi i cammelli (dati supplementari 6 e 12). Tre geni (ERP44, NFE2L2 e MGST2) erano correlati alle risposte allo stress ossidativo e presentavano cambiamenti unici di residui aminoacidici in entrambi i genomi di cammello. Le famiglie di geni espanse del dromedario erano arricchite in attività di citocromo c ossidasi (GO:0004129, P=5.80 × 10-10) e attività di monoossigenasi (GO:0004497, P=1.32 × 10-5) (Tabella supplementare 37). Questi risultati forniscono la prova della selezione nei cammelli per adattarsi alle dure condizioni aride dell’ambiente desertico.

Adattamento del sistema respiratorio

Un’altra sfida dell’ambiente desertico è la polvere trasportata dall’aria, che può portare a malattie respiratorie come l’asma. Tredici PSG in entrambi i cammelli, tra cui FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 e SEMA4A, erano legati alle malattie respiratorie negli esseri umani. Abbiamo anche scoperto che la categoria GO dello sviluppo polmonare (GO:0030324, PBactrian camel=3.26 × 10-5, Pdromedary=1.18 × 10-19) (Dati supplementari 6 e 12) si è evoluta rapidamente nel dromedario e nel cammello bactriano rispetto all’alpaca. La selezione di questi geni fornisce ulteriori prove dell’adattamento dei cammelli per sopportare le sfide dell’ambiente desertico.

Adattamento del sistema visivo

La radiazione solare è un altro aspetto dell’ambiente desertico. L’esposizione a lungo termine alle radiazioni ultraviolette può portare a una serie di condizioni oftalmiche. Abbiamo esaminato i geni che potrebbero abituare gli occhi dei cammelli all’estrema irradiazione solare nel deserto e abbiamo identificato una selezione positiva ai geni OPN1SW, CX3CR1 e CNTFR, che sono legati alla fotorecezione e alla protezione visiva, in entrambi i cammelli. I risultati hanno anche indicato che la percezione visiva (GO:0007601, PBactrian camel=0.0018, Pdromedary=2.49 × 10-14) si è evoluta rapidamente in entrambi i cammelli rispetto all’alpaca (dati supplementari 6 e 12). Questi risultati suggeriscono una base genetica per la capacità dei cammelli di sopportare l’esposizione prolungata alla luce ultravioletta senza danni al sistema visivo.

Metabolismo del sale

Ci siamo poi concentrati sul metabolismo salino dei cammelli considerando l’effetto principale del sale sul bilancio idrico. In contrasto con un precedente rapporto sulla tolleranza al sale3, i nostri risultati hanno indicato che la categoria del trasporto degli ioni di sodio (GO:0006814, PBactrian camel=0.0014, Pdromedary=0.00012) si è evoluta più rapidamente in entrambi i cammelli che nei bovini (Dati supplementari 8 e 14). La categoria associata al complesso del canale del potassio voltaggio-gated (GO:0008076, PBactrian camel=8.77 × 10-8, Pdromedary=2.68 × 10-10) si è evoluta rapidamente in entrambi i cammelli rispetto all’alpaca (dati supplementari 6 e 12). In particolare, il genoma del cammello bactriano contiene due copie dei geni NR3C2 e IRS1, entrambi i quali svolgono ruoli critici nel riassorbimento del sodio e nell’equilibrio idrico nel rene24,25,26, mentre altri mammiferi possiedono solo una singola copia di ciascun gene. Questa differenza suggerisce che i cammelli possono metabolizzare e trasportare il sale in modo più efficiente di alpaca e bovini, e che queste vie sono importanti per il riassorbimento dell’acqua.

Geni differenzialmente espressi e analisi di arricchimento

Per ottenere una maggiore comprensione delle caratteristiche di adattamento al deserto arido, abbiamo sequenziato i trascrittomi corticali e midollari renali di un gruppo di cammelli bactriani dopo 24 giorni di condizioni di restrizione idrica (WR) e quelli di un gruppo di controllo (CG) (Tabella supplementare 45, e Dati supplementari 15 e 16). Abbiamo selezionato i geni significativamente upregolati o downregolati in questi tessuti (figure supplementari 18-21 e metodi supplementari) e poi abbiamo analizzato le categorie GO arricchite di questi geni (figure supplementari 22-25, dati supplementari 17-20 e metodi supplementari). Una sovrarappresentazione delle categorie associate con il legame degli ioni metallici (GO:0046872, P=1.53 × 10-23) e la regolazione dei livelli di fluido corporeo (GO:0050878, P=1.37 × 10-6) è stato rilevato nel set di geni upregolati corticale renale (dati supplementari 17). Le categorie GO associate al processo metabolico del glucosio (GO:0006006, P=4.11 × 10-6), gluconeogenesi (GO:0006094, P=0.0026), mitocondrio (GO:0005739, P=2.13 × 10-5), la generazione di metaboliti precursori ed energia (GO:0006091, P=0.0077), risposta ai livelli di nutrienti (GO:0031667, P=0.0064) e risposta allo stress (GO:0006950, P=0.0094) sono stati arricchiti nell’insieme dei geni upregolati della midollare renale (Dati supplementari 19).

Rassorbimento del sodio

I geni che codificano la Na+/K+-ATPasi e il canale epiteliale del Na+ (ENaC), che riassorbono il sodio nel rene, sono stati upregolati nella corteccia e nel midollo renale in condizioni WR (Tabelle supplementari 46 e 47). La trascrizione flessibile delle subunità di ENaC in diversi tessuti e in diverse condizioni suggerisce che il cammello regola l’attività di riassorbimento del Na+ di ENaC per far fronte alle diverse esigenze fisiologiche di acqua. Questi risultati indicano che la regolazione del riassorbimento del sodio può essere essenziale per la sopravvivenza dei cammelli in un ambiente con scarsità d’acqua.

La riserva d’acqua

Il cammello è famoso per il suo adattamento alla restrizione idrica prolungata. Abbiamo quindi studiato il meccanismo della riserva d’acqua analizzando la trascrizione dei geni della famiglia aquaporin, che sono canali selettivi dell’acqua con importanti funzioni nel riassorbimento e nel metabolismo dell’acqua. AQP1, AQP2 e AQP3 erano i primi tre geni diversamente espressi nella corteccia e nel midollo renale in condizioni di WR (Tabelle supplementari 48 e 49, e Fig. supplementare 26). Questi geni possono permettere ai cammelli di riassorbire l’acqua in modo più efficiente in un ambiente povero d’acqua. Tuttavia, non abbiamo rilevato AQP4 mRNA nel rene del cammello bactriano, coerente con la sua mancanza di espressione nel roditore del deserto Dipodomys merriami merriami27 ma in contrasto con la sua espressione abbondante nel rene umano28. È interessante notare che un unico cambiamento di residuo aminoacidico (R261C) è stato osservato in AQP4 nel genoma del cammello bactriano (Fig. supplementare 27). Questi risultati possono suggerire una strategia unica per il riassorbimento e il metabolismo dell’acqua nel rene di cammello.

Osmoregolazione

Come l’ipertonicità è la base dell’equilibrio idrico e del riassorbimento nel rene, l’espressione dei geni che sono coinvolti nell’osmoregolazione nel midollo renale sono stati analizzati. Il fattore nucleare delle cellule T attivate 5 (NFAT5), l’unico fattore di trascrizione noto regolato dalla tonicità nei mammiferi29 , è stato espresso al 3,66% del livello di controllo in condizioni di WR (Tabella supplementare 50). Di conseguenza, il cotrasportatore sodio/mio-inositolo (SMIT), il trasportatore di taurina dipendente dal sodio e dal cloruro (TauT) e il trasportatore di betaina dipendente dal sodio e dal cloruro (BGT1) hanno mostrato una ridotta espressione in condizioni di WR. Questi tre trasportatori transattivati da NFAT5 trasportano osmoliti organici compatibili nelle cellule midollari renali (RMC) in risposta all’ipertonicità30 (Fig. 4). La downregulation di NFAT5 e dei suoi geni bersaglio durante lo stress ipertonico non è stata osservata in altri mammiferi29,31, compresi gli animali del deserto come il topo saltatore Spinifex (Notomys alexis)32. I nostri risultati indicano che i cammelli possono contare su altre strategie osmoregolatorie per proteggere contro lo stress ipertonico durante la restrizione idrica a lungo termine.

Osmoliti organici

L’accumulo di osmoliti organici aiuta le RMC ad equilibrare la pressione osmotica tra l’ambiente intracellulare ed extracellulare30. La downregulation di TauT, BGT1 e SMIT implica che il trasporto di taurina, betaina e mio-inositolo nelle cellule è diminuito. Notevolmente, abbiamo osservato l’upregulation trascrizionale di aldoso reduttasi (AR) e la downregulation di sorbitolo deidrogenasi (SDH) nella via del sorbitolo; abbiamo anche osservato l’upregulation trascrizionale di neuropatia target esterasi (NTE) e la trascrizione stabile di glicerofosfodiester fosfodiesterasi domain-containing protein 5 (GDPD5) nella via della glicerofosfocolina (GPC) (Fig. 4 e Tabella supplementare 50). I modelli di espressione di questi geni suggeriscono che nel cammello, il sorbitolo e la GPC possono accumularsi in condizioni di WR e che gli osmoliti possono essere prodotti principalmente dalle RMC stesse. Il sorbitolo può servire come fonte di energia33 e aiutare a bilanciare l’osmolalità dell’elevato NaCl extracellulare34; il costo energetico dell’accumulo di GPC in risposta a un elevato NaCl o urea nel midollo renale30 può essere inferiore a quello del trasporto della betaina nelle cellule contro un elevato gradiente di concentrazione30. Quindi, queste variazioni nell’espressione dei geni legati all’osmolita indicano che due osmoliti piuttosto che cinque sono principalmente utilizzati in risposta all’ipertonicità come parte di un modello a basso consumo energetico per la sopravvivenza del cammello nel deserto povero di cibo.

Importante, abbiamo osservato che i livelli di espressione di GLUT1 (trasportatore di glucosio 1) e i geni coinvolti nella glicolisi erano profondamente aumentati nel midollo renale in condizioni WR (Tabella supplementare 51). Insieme con un rapporto precedente che il livello di espressione di GLUT1 è indotta da stress osmotico e metabolico 35, i nostri risultati suggeriscono che l’aumento dell’assunzione di glucosio non solo assicura una concentrazione di glucosio sufficiente per la sintesi di sorbitolo, ma fornisce anche l’energia necessaria per la Na/K-ATPasi upregulated per mantenere il gradiente ionico interno per ipertonicità adattato (Fig. 4). Collettivamente, le nostre osservazioni suggeriscono che la caratteristica alta glicemia (6-8 mmol l-1)36,37 dei cammelli può essere una strategia evolutiva adattativa per l’osmoregolazione e il riassorbimento di acqua delle RMC durante l’antidiuresi.

Osmoprotezione

Dato il potenziale di danno iperosmotico alle cellule30, abbiamo analizzato l’espressione dei geni legati alla protezione cellulare e abbiamo scoperto che i livelli di espressione di 25 geni che codificano per gli antiossidanti e gli enzimi correlati (tabella 52 supplementare) erano più alti nel midollo renale in condizioni di WR. I geni che codificano i fattori di trascrizione antiossidanti, tra cui Nrf2, il fattore di shock termico-1, il complesso della proteina attivatrice-1, p53, il fattore nucleare-κB e il trasduttore del segnale e attivatore della trascrizione 4 hanno anche mostrato un’espressione elevata nel midollo renale WR. Inoltre, abbiamo identificato 14 geni di shock termico, che contribuiscono all’eliminazione delle proteine mal ripiegate sotto iperosmolalità30, che sono stati upregolati nel midollo renale WR (Tabella supplementare 52). Gene clusterin, un chaperone citoprotettivo, è stato drammaticamente aumentato da ~ 8.9-fold e aveva il più alto livello di trascrizione nel midollo renale WR (legge per chilobase per milione mappato legge = 27.069). Studi precedenti hanno dimostrato che la clusterina è indotta dal glucosio38 e associata a diversi stati patologici, tra cui il diabete39 e le lesioni renali40. L’identificazione di clusterina come PSG nel dromedario suggerisce che questo gene può svolgere un ruolo importante nella citoprotezione del midollo renale del cammello durante la restrizione idrica e che l’alto livello di glucosio nel sangue dei cammelli può avere una funzione durante l’osmoprotezione. Nel complesso, l’upregulation dei geni osmoprotettivi indica che i cammelli hanno una sofisticata capacità osmoprotettiva in condizioni di WR.