Genome sequencing and assembly

We sequenced the genomes of a female Bactrian camel (79.3-fold coverage), a male dromedary (65.0-fold coverage) and a female alpaca (72.5-fold coverage) using the Illumina HiSeq2000 platform. De huidige geschatte genoomgrootte van de Bactrische kameel (2,45 Gb) is vergelijkbaar met die van een eerder rapport (2,38 Gb) op basis van K-mer analyse3. De geassembleerde genoomgroottes voor de drie individuen waren respectievelijk 2,01, 2,01 en 2,05 Gb (aanvullende tabellen 1-10 en aanvullende figs 2 en 3). De huidige geassembleerde genoomgrootte voor de Bactrische kameel is identiek aan de eerder gerapporteerde grootte3. De contig N50 en scaffold N50 lengtes (Tabel 1) waren respectievelijk 24.9 kb en 8.7 Mb voor de Bactrische kameel, 54.1 kb en 4.1 Mb voor de dromedaris, en 66.3 kb en 5.1 Mb voor de alpaca. Vergeleken met het genoom van de wilde Bactrische kameel3, hebben de huidige genomen van deze drie kameelachtigen kortere contig N50 lengtes maar grotere scaffold N50 lengtes. Mapping van bibliotheken met een insert grootte van 2 kb op de scaffold gaf aan dat elk van de genoom sequenties van hoge kwaliteit was (Supplementary Fig. 4 en Supplementary Methods), en het Bactrische kameel transcriptoom toonde ook een hoge kwaliteit genoom assemblage voor de huidige en wilde Bactrische kameel3 (Supplementary Tables 11 en 12). De genomen van de kameelachtigen vertoonden een hoge mate van syntenie met de menselijke en runderreferentiegenen (dekkingsgraad >83%) en een relatief lage mate van genomische herschikking binnen de Camelidae (aanvullende tabellen 13 en 14, en aanvullende methoden). De syntenie tussen de genomen van de Bactrische kameel en die van runderen die in de huidige studie is waargenomen, is groter dan die welke eerder is gemeld3. Onze studie ondersteunt de opvatting dat divergente evolutie in Camelidae opgetreden door middel van enkel gen mutaties of kleine chromosomale herschikkingen5. Wij schatten de segmentale duplicatie van deze drie individuen: de totale lengte van segmentale duplicatie in zowel de Bactrische kameel als de dromedaris was 26 Mb, kleiner dan die van de alpaca (36 Mb) (Supplementaire Tabel 15). De segmentale duplicatie bij deze drie organismen is lager dan die bij runderen (94,4 Mb)6.

Genoomannotatie

Gebruikmakend van een combinatie van homologe sequentie-zoekopdrachten en ab initio genvoorspellingen, annoteerden we 20.251, 20.714 en 20.864 genen in de genomen van respectievelijk de Bactrische kameel, de dromedaris en de alpaca (aanvullende Fig. 5, en aanvullende Tabellen 16 en 17). Wij hebben de CEGMA-methode7 gebruikt, die 458 eukaryotische kerngenen omvat, om de volledigheid van de genomen en de annotatie te beoordelen. De overgrote meerderheid van deze kerngenen was uitgelijnd met de genomen van de kameelachtigen (99,12% voor Bactrische kameel, 98,47% voor dromedaris en 99,12% voor alpaca), en de meerderheid was aanwezig in onze voorspelde genensets (97,82% voor Bactrische kameel, 96,73% voor dromedaris en 93,87% voor alpaca), hetgeen de volledigheid van de geassembleerde genomen en de identificatie van de genensets ondersteunt (Aanvullende Tabellen 18-20). Vergelijkende analyses van de drie genensets van kameelachtigen toonden een hoge gensequentie-overeenkomst (>90%) maar verschillende niet-synonieme/synonieme (Ka/Ks) distributies (supplementaire Figs 6 en 7). Functionele analyses van de genensets gaven aan dat >91% van de genen in elk genoom functioneel geannoteerd waren (aanvullende tabellen 21-23).

Het herhaalde sequentiegehalte van de genomen van de kameelachtigen (30,4% in Bactrische kameel, 32.1% in alpaca en 28,4% in dromedaris) was 10% lager dan dat van runderen (42,5%) en mensen (46,1%) als gevolg van het kleine aantal korte afgewisselde nucleotide-elementen in de genomen van kameelachtigen (aanvullende tabellen 24-27). De herhaalde sequentie inhoud van het Bactrische kameelgenoom was vergelijkbaar met die welke eerder werd gerapporteerd3. Annotatie van niet-coderende RNA-genen bracht voor elk genoom vergelijkbare aantallen kopieën aan het licht (Bactrische kameel = 1.942; dromedaris = 2.209; alpaca = 2.328; Aanvullende tabellen 28-30). Wij identificeerden 12.539 homologe genfamilies die worden gedeeld door 4 soorten in de orde Cetartiodactyla (Bactrische kameel, dromedaris, alpaca en rund): 156, 153 en 296 genfamilies waren specifiek voor respectievelijk de Bactrische kameel, de dromedaris en de alpaca (Fig. 1).

Evolutionaire analyse en fylogenie

Een fylogenetische boom werd geconstrueerd met inbegrip van de kameelachtigen (Bactrische kameel, dromedaris en alpaca) en zeven andere soorten (rund, paard, hond, panda, mens, muis en opossum). De boom werd gegenereerd met behulp van PhyML8 op basis van viervoudig ontaarde codon sites die werden geëxtraheerd uit 7.398 single-copy orthologe genen, geïdentificeerd door TreeFam9 (supplementaire tabel 31, en supplementaire fig. 8 en 9). De geschatte tijd van divergentie tussen kameelachtigen en runderen is 42,7 miljoen jaar geleden (Mya) (Fig. 2 en supplementaire Fig. 10). Dit resultaat is consistent met het tijdstip (45,9 Mya) waarop paleontologisch bewijs aangeeft dat de familie Camelidae voor het eerst in Noord-Amerika verscheen10 , maar staat in contrast met een eerdere schatting van het tijdstip van divergentie van de runder- en Bactrische kameellijnen op basis van 332 orthologe dieren (55-60 Mya)3. De geschatte tijd van divergentie van de voorouders van de alpaca en de twee kamelen (16,3 Mya) is consistent met paleontologische bevindingen, die erop wijzen dat de scheiding tussen Camelini en Lamini plaatsvond in Noord-Amerika ~17 Mya (ref. 10). De tijd van divergentie tussen de Bactrische kameel en de dromedaris is ~4.4 Mya, wat impliceert dat zij waarschijnlijk divergeerden nadat hun gemeenschappelijke voorouder van Noord-Amerika naar Eurazië migreerde via de Bering Isthmus tijdens het Laat Mioceen (7.246-4.9 Mya)10,11. Wij analyseerden de tak-specifieke Ka/Ks substitutie verhoudingen (ω) voor deze tien zoogdieren met de methode van Kosiol et al.12: de Bactrische kameel en de dromedaris hadden hogere tak ω-waarden (supplementaire Fig. 11, supplementaire Tabel 32 en supplementaire Methoden). Deze versnelde evolutie bij kamelen doet de mogelijkheid rijzen van kameelspecifieke evolutie om zich aan te passen aan een woestijnomgeving.

Heterozygotentallen en demografische geschiedenis

SNPs werden geïdentificeerd met behulp van SOAPsnp13. De geschatte heterozygote percentages van de genomen van de Bactrische kameel, de dromedaris en de alpaca bedroegen respectievelijk 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 en 2,66 × 10-3 (aanvullende tabellen 33-35). De hier geschatte heterozygotie van de Bactrische kameel is vergelijkbaar met die welke eerder is gerapporteerd (1,0 × 10-3 en 1,29 × 10-3)3,4. De genomische SNP-distributies onder deze zoogdieren zijn verschillend (supplementaire Fig. 12).

De demografische geschiedenis van deze kameelachtigen werd geconstrueerd op basis van SNP-gegevens door toepassing van het paarsgewijze sequentieel Markoviaanse coalescent (PSMC) model14 (Fig. 3). De resultaten van onze analyse gaven aan dat de voorouder van de Bactrische kameel een stabiele populatiegrootte had na twee dalingen die plaatsvonden op 3,69 en 2,61 Mya. Voor de voorouder van de dromedaris werden twee dalingen in populatiegrootte berekend, die plaatsvonden op 1,72 en 0,77 Mya. Deze geraamde dalingen in de populatieomvang van de voorouders van beide soorten komen overeen met overgangen tussen geologische tijdperken, waaronder het Zancleense en het Piacenzische (3,60 Mya), het Piacenzische en het Gelasische (2,59 Mya), het Gelasische en het Calabrische (1,81 Mya), en het Calabrische en het Ionische (0,78 Mya)15 , hetgeen wijst op een waarschijnlijke correlatie. Bovendien vond de uitbreiding van de voorouderpopulatie van de dromedaris plaats tussen 1,25 en 0,77 Mya, wat samenvalt met de overgang van het midden-Pleistoceen van 1,25 tot 0,70 Mya, een periode van fundamentele veranderingen in de klimaatcycli van de aarde16 die een diepgaand effect hadden op de verspreiding en evolutie van de biota17. Dit tijdsinterval valt ook samen met het Galerische zoogdiertijdperk (1,2 tot 0,60 Mya), dat werd gekenmerkt door een vernieuwing van de fauna die in sommige gevallen aanleiding gaf tot nieuwe soorten die waren aangepast aan een dor en koud klimaat18 ; belangrijker is echter dat dit tijdsinterval ook samenvalt met de maximale diversiteit van de familie Camelidae, die zich in het vroege Galerische tijdperk voordeed19. Deze correlatie ondersteunt de aanpassing van de voorouder van de dromedaris aan veranderingen in het milieu en een uitbreiding van zijn populatie tijdens de overgang naar het midden-Pleistoceen. De meest recente afname van de populatie van de voorouder van de Bactrische kameel vond ~60 duizend jaar geleden (Kya) plaats, wat overeenkomt met de verspreiding van de moderne mens uit Afrika naar Eurazië20, de thuisbasis van de Bactrische kameel. Daarom kunnen menselijke activiteiten invloed hebben gehad op de recente voorouderpopulatie van de Bactrische kameel.

De effectieve populatiegrootte van de voorouder van de alpaca nam geleidelijk af tussen ~5.37 Mya, wat dichter ligt bij de tijdsgrens van het Messinian en het Zanclean stadium (5,33 Mya)15, en 2,09 Mya, wat in het Uquian tijdperk ligt (3 tot 1,2 Mya), waarin de voorouder van de alpaca naar Zuid-Amerika migreerde via de Panamese landbrug in de Great American Biotic Interchange21. Dit suggereert dat de migratie kan hebben bijgedragen tot de vermindering van de populatieomvang van de voorouder van de alpaca. Zijn populatieomvang breidde zich vervolgens uit tijdens het Pleistoceen, gevolgd door drie periodes van grote knelpunten vóór 501, 139 en 44 Kya. De populatie onderging een grote uitbreiding ~72 Kya, en bereikte een grootte van ~113 × 104 individuen. De meest recente bottleneck (44 Kya) komt overeen met het Laatste Glaciale Maximum (48-25 Kya), dat vergevorderd was in Zuid-Amerika22, en resulteerde in een dramatische vermindering van de populatiegrootte tot ~1,2 × 104 individuen. Dit impliceert dat de koude omstandigheden in Zuid-Amerika in die tijd kunnen hebben geleid tot de inkrimping van de populatiegrootte van de voorouder van de alpaca tegen het einde van het Pleistoceen.

Genevolutie

Wij onderzochten vervolgens de genen van kameelachtigen die ten grondslag liggen aan aanpassing aan de omgeving. Wij gebruikten CAFÉ23 om genfamilies te identificeren die gedurende de evolutie een significante uitbreiding en inkrimping hebben ondergaan (Fig. 2 en Aanvullende Methoden) en identificeerden 373 uitgebreide en 853 ingekrompen genfamilies in het dromedarisgenoom, 183 uitgebreide en 753 ingekrompen genfamilies in het Bactrische kameelgenoom en 501 uitgebreide en 2.189 ingekrompen genfamilies in het alpacagenoom. Veel van de uitgebreide genfamilies in deze drie kameelachtigen zijn significant verrijkt in de celproces-, celonderdeel-, reukreceptor-activiteit, ijzer- en immuun-gerelateerde Gene Ontology (GO) categorieën (supplementaire Figs 13-15 en supplementaire Tables 36-38). We identificeerden 287 positief geselecteerde genen (PSGs) in de Bactrische kameel (Supplementary Data 1), 324 PSGs in de dromedaris (Supplementary Data 2) en 151 PSGs die gemeenschappelijk waren voor beide genomen, wat duidt op een vergelijkbare selectieve druk. Een beoordeling van unieke aminozuur residu veranderingen in orthologe genen die aanwezig zijn in 23 soorten identificeerde 350 en 343 veranderde genen in respectievelijk de Bactrische kameel en de dromedaris. Verschillende oververtegenwoordigde categorieën van genen met unieke aminozuur residu veranderingen in kamelen hielden verband met katalytische activiteit, binding van kleine moleculen en ATP binding (supplementaire Figs 16 en 17, en supplementaire Tabellen 39 en 40). Gebaseerd op een analyse van syntenische blokken, werden 190 gewonnen genen geïdentificeerd in de Bactrische kameel en 126 in de dromedaris. Deze gewonnen genen zijn significant verrijkt in de olfactie- en immuun-gerelateerde categorieën (aanvullende tabellen 41 en 42, en aanvullende methoden).

Energie- en vetmetabolisme

Omdat energie belangrijk is voor kamelen die in voedselarme woestijnen leven, werd de selectie van genen die betrokken zijn bij energie-gerelateerde processen geanalyseerd. De genoom-brede kenmerken van aanpassing werden geïdentificeerd door GO-categorieën met lineage-specifieke versnelde evolutie (Supplementary Data 3-14). In tegenstelling tot rundvee omvatten de gemeenschappelijke snel evoluerende GO-categorieën van de drie kameelachtigen de cellulaire respons op insulinestimulans (GO:0032869, P<0,001) en de insulinereceptorsignaleringsroute (GO:0008286, P<0,001) (Supplementary Data 4, 8 en 14). Daarnaast identificeerden we een aantal categorieën die verband houden met energie-, glucose- en vetmetabolisme die sneller evolueerden bij deze kameelachtigen dan bij runderen. Sommige van de energie-gerelateerde GO-categorieën die bij de Bactrische kameel sneller evolueerden dan bij runderen, komen overeen met de eerder gerapporteerde categorieën3. Bovendien hadden 13 genen die betrokken zijn bij de mitochondriale functie, β-oxidatie en cholesterolsynthese en -transport aminozuurresiduveranderingen die uniek waren voor de Bactrische kameel en de dromedaris. Verscheidene genen (ACC2, DGKZ en GDPD4) betrokken bij het vetmetabolisme ondergingen uitbreiding in het Bactrische kameelgenoom, terwijl de uitgebreide genfamilies van de dromedaris verrijkt waren in de mitochondrion (GO:0005739, P=2.30 × 10-5) categorie (aanvullende tabel 37).

Het verschillende aantal bulten in deze drie kameelachtigen kan een weerspiegeling zijn van hun verschillende vetmetabolismecapaciteiten. Functionele categorieën geassocieerd met ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:0042626, P<0.01), mitochondriën (GO:0005739, GO:0005759, P<0.01), lipidentransport (GO:0006869, PBactrische kameel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0.00016) en respons op insuline stimulus (GO:0032868, PBactrische kameel=0.0005, Pdromedary=1.33 × 10-5) evolueerden snel in beide kameelsoorten vergeleken met de alpaca (Supplementary Table 43). Categorieën die verband houden met het vetmetabolisme evolueerden sneller in de Bactrische kameel dan in de dromedaris, bijvoorbeeld, vetkatabool proces (GO:0016042, P=0,0015) en vetceldifferentiatie (GO:0045444, P=2,54 × 10-9) (aanvullende tabel 44). Deze genen kunnen de energieopslag en productiecapaciteit van een kameel in de woestijn verbeteren en kunnen ook een verschil in vetmetabolisme weerspiegelen en op hun beurt verband houden met het aantal bulten.

Stressrespons

Om aanpassingen aan dorre en hete omgevingen te onderzoeken, analyseerden we verder de genen die betrokken zijn bij stressresponsen. Vergeleken met runderen, categorieën geassocieerd met DNA-schade en reparatie (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0.01), apoptose (GO:0006917, GO:0043066, P<0.01), eiwitstabilisatie (GO:0050821, PBactrische kameel=0.00021, Pdromedaris=3.44 × 10-19) en immuunreacties (GO:0006955, GO:0051607, P<0.01) vertoonden een versnelde evolutie in beide kameelsoorten (Supplementary Data 8 en 14). Vergeleken met de alpaca werden significante functionele categorieën geïdentificeerd voor T-cel co-stimulatie (GO:0031295, PBactrische kameel=8,67 × 10-32, Pdromedary=9,33 × 10-9), oxidatie-reductie processen (GO:0055114, PBactrische kameel=4.88 × 10-15, Pdromedary=5.22 × 10-21) en oxidoreductase activiteit (GO:0016491, PBactrische kameel=2.27 × 10-10, Pdromedary=7.23 × 10-7), die allemaal een versnelde evolutie vertoonden in beide kamelen (Aanvullende Gegevens 6 en 12). Drie genen (ERP44, NFE2L2 en MGST2) waren gecorreleerd met oxidatieve stress reacties en vertoonden unieke aminozuur residu veranderingen in beide kamelen genomen. De uitgebreide genfamilies van de dromedaris waren verrijkt in cytochroom c-oxidase-activiteit (GO:0004129, P=5,80 × 10-10) en monooxygenase-activiteit (GO:0004497, P=1,32 × 10-5) (aanvullende tabel 37). Deze resultaten leveren bewijs voor selectie bij kamelen om zich aan te passen aan de barre dorre omstandigheden van de woestijnomgeving.

Aanpassing van het ademhalingssysteem

Een andere uitdaging van de woestijnomgeving is stof in de lucht, dat kan leiden tot aandoeningen van de luchtwegen zoals astma. Dertien PSGs in beide kamelen, waaronder FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 en SEMA4A, waren gerelateerd aan ademhalingsziekten bij mensen. We vonden ook dat de longontwikkeling GO categorie (GO:0030324, PBactrische kameel=3.26 × 10-5, Pdromedaris=1.18 × 10-19) (Supplementary Data 6 en 12) snel evolueerde in de dromedaris en Bactrische kameel in vergelijking met de alpaca. Selectie van deze genen levert verder bewijs voor de aanpassing van kamelen aan de uitdagingen van het woestijnmilieu.

Aanpassing van het visuele systeem

Zonnestraling is een ander aspect van het woestijnmilieu. Langdurige blootstelling aan ultraviolette straling kan leiden tot een aantal oogheelkundige aandoeningen. Wij onderzochten genen die de ogen van kamelen zouden kunnen aanpassen aan de extreme zonnestraling in de woestijn en stelden positieve selectie vast bij de OPN1SW, CX3CR1 en CNTFR genen, die gerelateerd zijn aan fotoreceptie en visuele bescherming, bij beide kamelen. De resultaten gaven ook aan dat visuele perceptie (GO:0007601, PBactrische kameel=0.0018, Pdromedaris=2.49 × 10-14) snel evolueerde bij beide kamelen in vergelijking met de alpaca (Aanvullende gegevens 6 en 12). Deze resultaten suggereren een genetische basis voor het vermogen van kamelen om langdurige blootstelling aan ultraviolet licht te verdragen zonder schade aan het visuele systeem.

Zoutmetabolisme

Wij richtten ons vervolgens op het zoutmetabolisme van kamelen door het belangrijkste effect van zout op de waterhuishouding te beschouwen. In tegenstelling tot een eerder rapport over zouttolerantie3, gaven onze resultaten aan dat de categorie natriumiontransport (GO:0006814, PBactrische kameel=0,0014, Pdromedaris=0,00012) bij beide kamelen sneller evolueerde dan bij runderen (aanvullende gegevens 8 en 14). De categorie geassocieerd met het spanningsgeactiveerde kaliumkanaalcomplex (GO:0008076, PBactrische kameel=8,77 × 10-8, Pdromedary=2,68 × 10-10) evolueerde snel in beide kamelen vergeleken met de alpaca (aanvullende gegevens 6 en 12). Opmerkelijk is dat het genoom van de Bactrische kameel twee kopieën bevat van de NR3C2- en IRS1-genen, die beide een cruciale rol spelen bij de natriumreabsorptie en de waterhuishouding in de nier24,25,26, terwijl andere zoogdieren slechts een enkele kopie van elk gen bezitten. Dit verschil suggereert dat kamelen wellicht efficiënter zout metaboliseren en transporteren dan alpaca’s en runderen, en dat deze pathways belangrijk zijn voor de waterreabsorptie.

Differentieel tot expressie komende genen en verrijkingsanalyse

Om meer inzicht te krijgen in de kenmerken van aanpassing aan de dorre woestijn, we sequenced de renale corticale en medullaire transcriptomen van een groep van Bactrische kamelen na 24 dagen van water-beperkte (WR) voorwaarden en die van een controlegroep (CG) (Supplementary Table 45, en Aanvullende gegevens 15 en 16). We selecteerden significant upgereguleerde of downgereguleerde genen in deze weefsels (Supplementary Figs 18-21 en Supplementary Methods) en analyseerde vervolgens de verrijkte GO categorieën van deze genen (Supplementary Figs 22-25, Supplementary Data 17-20 en Supplementary Methods). Een oververtegenwoordiging van categorieën geassocieerd met metaalionen binding (GO:0046872, P=1.53 × 10-23) en de regulatie van lichaamsvocht niveaus (GO:0050878, P=1.37 × 10-6) werd gedetecteerd in de set van geüpreguleerde renale corticale genen (Supplementary Data 17). De GO-categorieën geassocieerd met het glucosemetabolisme (GO:0006006, P=4,11 × 10-6), gluconeogenese (GO:0006094, P=0,0026), mitochondrium (GO:0005739, P=2,13 × 10-5), het genereren van precursormetabolieten en energie (GO:0006091, P=0,0077), respons op nutriëntenniveaus (GO:0031667, P=0,0064) en respons op stress (GO:0006950, P=0,0094) waren verrijkt in de set van geüpreguleerde niercorticale genen (GO:0050878, P=0,37 × 10-6).0094) waren verrijkt in de set van geüpreguleerde renale medullaire genen (Supplementary Data 19).

Natrium reabsorptie

Gen coderend voor de Na + / K +-ATPase en de epitheliale Na + kanaal (ENaC), die natrium in de nier reabsorberen, werden geüpreguleerd in de renale cortex en medulla onder WR omstandigheden (Supplementary tabellen 46 en 47). De flexibele transcriptie van de subeenheden van ENaC in verschillende weefsels en onder verschillende omstandigheden suggereert dat de kameel de Na + reabsorberende activiteit van ENaC reguleert om te kunnen omgaan met verschillende fysiologische waterbehoeften. Deze bevindingen wijzen erop dat de regulatie van de natriumreabsorptie essentieel kan zijn voor de overleving van kamelen in een waterarme omgeving.

Waterreservering

De kameel staat bekend om zijn aanpassing aan langdurige waterrestrictie. Daarom onderzochten wij het mechanisme van waterreservering door de transcriptie te analyseren van de genen van de aquaporin-familie, die selectieve waterkanalen zijn met belangrijke functies in de waterreabsorptie en het metabolisme. AQP1, AQP2 en AQP3 waren de top drie verschillend tot expressie komende genen in de niercortex en -medulla onder WR omstandigheden (Supplementary Tables 48 en 49, en Supplementary Fig. 26). Deze genen kunnen kamelen in staat stellen water efficiënter te reabsorberen in een waterarme omgeving. Echter, we hebben niet ontdekt AQP4 mRNA in de Bactrische kameel nier, in overeenstemming met het ontbreken van expressie in de woestijn knaagdier Dipodomys merriami merriami 27, maar in tegenstelling tot de overvloedige expressie in de menselijke nier 28. Interessant is dat een unieke aminozuur residu verandering (R261C) werd waargenomen in AQP4 in het Bactrische kameel genoom (Supplementary Fig. 27). Deze bevindingen kunnen wijzen op een unieke strategie voor waterreabsorptie en metabolisme in de nier van de kameel.

Osmoregulatie

Aangezien hypertoniciteit de basis is van waterbalans en reabsorptie in de nier, werd de expressie geanalyseerd van genen die betrokken zijn bij osmoregulatie in de niermedulla. Nucleaire factor van geactiveerde T-cellen 5 (NFAT5), de enige bekende toniciteit-gereguleerde transcriptiefactor bij zoogdieren 29, werd uitgedrukt op 3,66% van het controleniveau onder WR omstandigheden (Supplementary Tabel 50). Dienovereenkomstig natrium / myo-inositol cotransporter (SMIT), natrium-en chloride-afhankelijke taurine transporteur (TauT) en natrium-en chloride-afhankelijke betaïne transporteur (BGT1) vertoonden een verminderde expressie onder WR omstandigheden. Deze drie transporters getransactiveerd door NFAT5 vervoer compatibele organische osmolytes in renale medullaire cellen (RMC’s) in reactie op hypertoniciteit 30 (Fig. 4). De downregulatie van NFAT5 en zijn doelgenen tijdens hypertonische stress is niet waargenomen bij andere zoogdieren29,31, inclusief woestijndieren zoals de Spinifex huppelmuis (Notomys alexis)32. Onze bevindingen wijzen erop dat kamelen wellicht een beroep doen op andere osmoregulatoire strategieën om zich te beschermen tegen hypertonische stress tijdens langdurige waterrestrictie.

Organische osmolyten

De accumulatie van organische osmolyten helpt RMC’s om de osmotische druk tussen de intracellulaire en extracellulaire omgevingen30 in evenwicht te brengen. De downregulatie van TauT, BGT1 en SMIT impliceert dat het transport van taurine, betaïne en myo-inositol in de cellen verminderd is. Opmerkelijk is de transcriptionele upregulatie van aldose reductase (AR) en de downregulatie van sorbitol dehydrogenase (SDH) in de sorbitolroute; ook de transcriptionele upregulatie van neuropathie target esterase (NTE) en de stabiele transcriptie van glycerophosphodiester phosphodiesterase domain-containing protein 5 (GDPD5) in de glycerophosphocholine (GPC) route werden waargenomen (Fig. 4 en supplementaire tabel 50). De expressiepatronen van deze genen suggereren dat in de kameel, sorbitol en GPC kunnen accumuleren onder WR omstandigheden en dat osmolyten voornamelijk geproduceerd kunnen worden door de RMC’s zelf. Sorbitol kan dienen als een bron van energie 33 en helpen het evenwicht van de osmolaliteit van hoge extracellulaire NaCl34, de energetische kosten van de accumulatie van GPC in reactie op hoge NaCl of ureum in de nier medulla 30 kan minder zijn dan die van het vervoer betaïne in de cellen tegen een hoge concentratie gradiënt 30. Dus, deze variaties in de expressie van osmolyte-gerelateerde genen geven aan dat twee osmolyten in plaats van vijf voornamelijk worden gebruikt in reactie op hypertoniciteit als onderdeel van een lage-energie-consumptie model voor kameel overleven in de voedselarme woestijn.

Importief, zagen we dat de expressie niveaus van GLUT1 (glucose transporter 1) en genen die betrokken zijn bij de glycolyse waren sterk verhoogd in de niermerg onder WR omstandigheden (Supplementary Table 51). Samen met een eerder rapport dat het expressieniveau van GLUT1 wordt geïnduceerd door osmotische en metabole stress 35, onze resultaten suggereren dat de verhoging van de glucose-inname niet alleen zorgt voor een voldoende glucose concentratie voor de synthese van sorbitol, maar levert ook de energie die nodig is voor de opgehoogde Na / K-ATPase om de interne ion gradiënt te handhaven voor aangepaste hypertoniciteit (Fig. 4). Tezamen suggereren onze observaties dat de karakteristieke hoge bloedglucose (6-8 mmol l-1)36,37 van kamelen een adaptieve evolutionaire strategie zou kunnen zijn voor osmoregulatie en waterreabsorptie van RMC’s tijdens antidiurese.

Osmoprotection

Gezien het potentieel voor hyperosmotische schade aan cellen30, analyseerden we de expressie van genen met betrekking tot celbescherming en vond dat de expressieniveaus van 25 genen coderen antioxidanten en aanverwante enzymen (Supplementary Tabel 52) waren hoger in de renale medulla onder WR omstandigheden. Genen die coderen voor antioxidatieve transcriptiefactoren, waaronder Nrf2, heat shock factor-1, activator proteïne-1 complex, p53, nucleaire factor-κB en signaal transducer en activator van transcriptie 4 vertoonden ook een verhoogde expressie in de WR niermerulla. Daarnaast identificeerden we 14 heat shock genen, die bijdragen tot de eliminatie van verkeerd gevouwen eiwitten onder hyperosmolality 30, die werden upgereguleerd in de WR renale merg (Supplementary Tabel 52). Gene clusterin, een cytoprotectieve chaperon, werd dramatisch verhoogd met ~ 8,9-voudige en had de hoogste transcriptie niveau in de WR renale medulla (leest per kilobase per miljoen in kaart gebracht leest = 27.069). Eerdere studies hebben aangetoond dat clusterin wordt geïnduceerd door glucose 38 en geassocieerd met diverse pathologische toestanden, waaronder diabetes 39 en nierschade 40. De identificatie van clusterin als een PSG in de dromedaris suggereert dat dit gen een belangrijke rol zou kunnen spelen in de cytoprotectie van de niermerg van de kameel tijdens waterrestrictie en dat het hoge niveau van bloedglucose bij kamelen een functie zou kunnen hebben tijdens osmoprotectie. Over het geheel genomen geeft de upregulatie van osmoprotectieve genen aan dat kamelen een verfijnd osmoprotectief vermogen hebben onder WR omstandigheden.