Sekwencjonowanie i składanie genomów

Sekwencjonowaliśmy genomy samicy wielbłąda baktryjskiego (79,3-krotne pokrycie), samca dromadera (65,0-krotne pokrycie) i samicy alpaki (72,5-krotne pokrycie) przy użyciu platformy Illumina HiSeq2000. Obecny szacowany rozmiar genomu wielbłąda baktryjskiego (2,45 Gb) jest porównywalny z tym z poprzedniego raportu (2,38 Gb) opartego na analizie K-mer3. Złożone rozmiary genomu dla trzech osobników wynosiły odpowiednio 2,01, 2,01 i 2,05 Gb (tabele uzupełniające 1-10 i rysunki uzupełniające 2 i 3). Obecny rozmiar genomu wielbłąda baktryjskiego jest identyczny z poprzednio podanym3. Długości kontigów N50 i rusztowań N50 (Tabela 1) wynosiły odpowiednio 24,9 kb i 8,7 Mb dla wielbłąda baktryjskiego, 54,1 kb i 4,1 Mb dla dromadera oraz 66,3 kb i 5,1 Mb dla alpaki. W porównaniu z genomem dzikiego wielbłąda baktryjskiego3, obecne genomy tych trzech wielbłądowatych mają krótsze długości N50 kontigów, ale większe długości N50 rusztowań. Mapowanie bibliotek z insertami o wielkości 2 kb do rusztowania wykazało, że każda z sekwencji genomu była wysokiej jakości (Supplementary Fig. 4 i Supplementary Methods), a transkryptom wielbłąda baktryjskiego również wykazał wysoką jakość złożenia genomu obecnego i dzikiego wielbłąda baktryjskiego3 (Supplementary Tables 11 i 12). Genomy wielbłądów charakteryzowały się wysoką syntenią z genomami referencyjnymi człowieka i bydła (wskaźnik pokrycia >83%) i stosunkowo niskim wskaźnikiem rearanżacji genomowej w obrębie Camelidae (tabele uzupełniające 13 i 14 oraz metody uzupełniające). Synteza między genomami wielbłąda baktryjskiego i bydła zaobserwowana w obecnym badaniu jest większa niż podawana wcześniej3. Nasze badania potwierdzają tezę, że rozbieżna ewolucja u Camelidae zachodziła poprzez mutacje pojedynczych genów lub niewielkie rearanżacje chromosomalne5. Oszacowaliśmy segmentalną duplikację tych trzech osobników: całkowita długość segmentalnej duplikacji zarówno u wielbłąda baktryjskiego, jak i dromadera wynosiła 26 Mb, mniej niż u alpaki (36 Mb) (Tabela uzupełniająca 15). Duplikacja segmentalna wśród tych trzech organizmów jest niższa niż ta odnotowana u bydła (94,4 Mb)6.

Anotacja genomu

Używając kombinacji wyszukiwania sekwencji homologicznych i przewidywania genów ab initio, zanotowaliśmy 20 251, 20 714 i 20 864 genów odpowiednio w genomach wielbłąda baktryjskiego, dromadera i alpaki (Supplementary Fig. 5, i Supplementary Tables 16 i 17). Do oceny kompletności genomów i anotacji zastosowaliśmy metodę CEGMA7 , która obejmuje 458 podstawowych genów eukariotycznych. Zdecydowana większość tych podstawowych genów została dopasowana do genomów wielbłądów (99,12% dla wielbłąda baktryjskiego, 98,47% dla dromadera i 99,12% dla alpaki), a większość z nich była obecna w naszych przewidywanych zestawach genów (97,82% dla wielbłąda baktryjskiego, 96,73% dla dromadera i 93,87% dla alpaki), co potwierdza kompletność zmontowanych genomów i identyfikacji zestawów genów (Tabele uzupełniające 18-20). Analizy porównawcze trzech zestawów genów wielbłądowatych wykazały wysokie podobieństwo sekwencji genów (>90%), ale różne rozkłady nie-synonimiczne/synonimiczne (Ka/Ks) (Suplementarne Ryciny 6 i 7). Analizy funkcjonalne zestawów genów wykazały, że >91% genów było funkcjonalnie zanotowanych w każdym genomie (Tabele uzupełniające 21-23).

Zawartość sekwencji powtórzonych w genomach wielbłądów (30,4% u wielbłąda baktryjskiego, 32.1% u alpaki i 28,4% u dromadera) była o 10% niższa niż u bydła (42,5%) i człowieka (46,1%) ze względu na niewielką liczbę krótkich, krzyżujących się elementów nukleotydowych w genomach wielbłądów (tabele uzupełniające 24-27). Zawartość sekwencji powtórzeń w genomie wielbłąda baktryjskiego była podobna do podawanej wcześniej3. Anotacja niekodujących genów RNA ujawniła podobną liczbę kopii dla każdego genomu (wielbłąd baktryjski=1,942; dromader=2,209; alpaka=2,328; Tabele uzupełniające 28-30). Zidentyfikowaliśmy 12 539 homologicznych rodzin genów, które są wspólne dla 4 gatunków z rzędu Cetartiodactyla (wielbłąd baktryjski, dromader, alpaka i bydło): 156, 153 i 296 rodzin genów było specyficznych odpowiednio dla wielbłąda baktryjskiego, dromadera i alpaki (ryc. 1).

Analiza ewolucyjna i filogeneza

Zbudowano drzewo filogenetyczne obejmujące wielbłądowate (wielbłąd baktryjski, dromader i alpaka) oraz siedem innych gatunków (bydło, koń, pies, panda, człowiek, mysz i opos). Drzewo zostało wygenerowane przy użyciu PhyML8 na podstawie czterokrotnie zdegenerowanych miejsc kodonowych wyekstrahowanych z 7,398 jednokopijnych genów ortologicznych zidentyfikowanych przez TreeFam9 (Tabela uzupełniająca 31 i Rysunki uzupełniające 8 i 9). Szacowany czas dywergencji między wielbłądowatymi a bydłem wynosi 42,7 mln lat temu (Mya) (ryc. 2 i ryc. 10). Wynik ten jest zgodny z czasem (45,9 Mya), w którym dowody paleontologiczne wskazują, że rodzina Camelidae po raz pierwszy pojawiła się w Ameryce Północnej10 , ale kontrastuje z wcześniejszym oszacowaniem czasu dywergencji linii bydła i wielbłąda baktryjskiego na podstawie 332 ortologów (55-60 Mya)3. Szacowany czas dywergencji przodków alpaki i dwóch wielbłądów (16,3 Mya) jest zgodny z ustaleniami paleontologicznymi, wskazującymi, że podział między Camelini i Lamini nastąpił w Ameryce Północnej ~17 Mya (ref. 10). Czas dywergencji wielbłąda baktryjskiego i dromadera wynosi ~4,4 Mya, co sugeruje, że prawdopodobnie rozdzieliły się one po migracji ich wspólnego przodka z Ameryki Północnej do Eurazji przez Przesmyk Beringa w późnym miocenie (7,246-4,9 Mya)10,11. Przeanalizowaliśmy specyficzne dla gałęzi stosunki substytucji Ka/Ks (ω) dla tych dziesięciu ssaków przy użyciu metody Kosiola i wsp.12: wielbłąd baktryjski i dromader miały wyższe wartości ω dla gałęzi (Supplementary Fig. 11, Supplementary Table 32 i Supplementary Methods). Ta przyspieszona ewolucja u wielbłądów podnosi możliwość ewolucji specyficznej dla wielbłądów w celu dostosowania się do środowiska pustynnego.

Stopy heterozygot i historia demograficzna

SNPs zostały zidentyfikowane przy użyciu SOAPsnp13. Oszacowane współczynniki heterozygot w genomach wielbłąda baktryjskiego, dromadera i alpaki wynosiły odpowiednio 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 i 2,66 × 10-3 (tabele uzupełniające 33-35). Oszacowany tutaj współczynnik heterozygot wielbłąda baktryjskiego jest porównywalny z poprzednio zgłoszonym (1,0 × 10-3 i 1,29 × 10-3)3,4. Genomowe rozkłady SNP wśród tych ssaków są różne (Supplementary Fig. 12).

Historia demograficzna tych wielbłądowatych została skonstruowana w oparciu o dane SNP poprzez zastosowanie modelu pair-wise sequentially Markovian coalescent (PSMC)14 (ryc. 3). Wyniki naszej analizy wskazują, że przodek wielbłąda baktryjskiego miał stabilną wielkość populacji po dwóch spadkach, które miały miejsce 3,69 i 2,61 mln lat temu. Dla przodka dromadera obliczono dwa spadki wielkości populacji, które miały miejsce 1,72 i 0,77 mln lat temu. Te szacowane spadki liczebności populacji przodków obu gatunków są zgodne z przejściami między epokami geologicznymi, w tym między epoką zankleańską i piacenzjańską (3,60 Mya), piacenzjańską i gelazjańską (2,59 Mya), gelazjańską i kalabryjską (1,81 Mya) oraz kalabryjską i jońską (0,78 Mya)15 , co sugeruje prawdopodobną korelację. Co więcej, ekspansja populacji przodków dromadera nastąpiła między 1,25 a 0,77 mln lat temu, zbiegając się z przejściem środkowego plejstocenu od 1,25 do 0,70 mln lat temu, okresem fundamentalnych zmian w cykliczności klimatycznej Ziemi16 , które wywarły głęboki wpływ na rozmieszczenie i ewolucję fauny i flory17. Ten przedział czasowy zbiega się również z epoką ssaków galeryjskich (1,2-0,60 Mya), która charakteryzowała się odnową fauny, która w niektórych przypadkach dała początek nowym gatunkom przystosowanym do jałowego, zimnego klimatu18; co ważniejsze jednak, ten przedział czasowy zbiega się również z maksymalnym zróżnicowaniem rodziny wielbłądowatych, które przypadło na wczesny galeryjski19. Korelacja ta przemawia za adaptacją przodka dromadera do zmian środowiskowych i ekspansją jego populacji w okresie środkowego plejstocenu. Najnowszy spadek populacji przodka wielbłąda baktryjskiego nastąpił ~60 tysięcy lat temu (Kya), co odpowiada rozproszeniu współczesnych ludzi z Afryki do Eurazji20, ojczyzny wielbłąda baktryjskiego. Dlatego działalność człowieka mogła mieć wpływ na niedawną populację przodków wielbłąda baktryjskiego.

Efektywna wielkość populacji przodka alpaki stopniowo zmniejszała się między ~5.37 Mya, co jest bliższe granicy czasowej stadium Messyńskiego i Zanclean (5,33 Mya)15, a 2,09 Mya, czyli w erze Uquian (3 do 1,2 Mya), podczas której przodek alpaki migrował do Ameryki Południowej przez panamski most lądowy w Wielkiej Amerykańskiej Wymianie Biotycznej21. Sugeruje to, że migracja ta mogła przyczynić się do zmniejszenia liczebności populacji przodka alpaki. Wielkość jej populacji wzrosła następnie w plejstocenie, po czym nastąpiły trzy okresy poważnych wąskich gardeł przed 501, 139 i 44 Kya. Populacja uległa znacznemu rozszerzeniu ~72 Kya, osiągając wielkość ~113 × 104 osobników. Ostatnie wąskie gardło (44 Kya) odpowiada ostatniemu maksimum lodowcowemu (48-25 Kya), które było zaawansowane w Ameryce Południowej22 i spowodowało dramatyczną redukcję wielkości populacji do ~1,2 × 104 osobników. Sugeruje to, że zimne warunki w Ameryce Południowej w tym czasie mogły spowodować zwężenie rozmiaru populacji przodka alpaki pod koniec plejstocenu.

Ewolucja genów

Następnie zbadaliśmy geny wielbłądów, które leżą u podstaw adaptacji do środowiska. Przyjęliśmy CAFÉ23 do identyfikacji rodzin genów, które przeszły znaczącą ekspansję i kurczenie się podczas ewolucji (Fig. 2 i Metody Uzupełniające) i zidentyfikowaliśmy 373 rozszerzone i 853 skurczone rodziny genów w genomie dromadera, 183 rozszerzone i 753 skurczone rodziny genów w genomie wielbłąda baktryjskiego oraz 501 rozszerzonych i 2,189 skurczonych rodzin genów w genomie alpaki. Wiele z rozszerzonych rodzin genów u tych trzech wielbłądowatych jest znacząco wzbogaconych w kategorie Gene Ontology (GO) związane z procesem komórkowym, częścią komórki, aktywnością receptorów węchowych, żelazem i układem odpornościowym (Rys. 13-15 i Tabele 36-38). Zidentyfikowaliśmy 287 pozytywnie wyselekcjonowanych genów (PSGs) u wielbłąda baktryjskiego (Supplementary Data 1), 324 PSGs u dromadera (Supplementary Data 2) i 151 PSGs, które były wspólne dla obu genomów, wskazując na podobne presje selekcyjne. Ocena unikalnych zmian reszt aminokwasowych w ortologicznych genach występujących u 23 gatunków pozwoliła na zidentyfikowanie 350 i 343 zmienionych genów odpowiednio u wielbłąda baktryjskiego i dromadera. Kilka nadreprezentowanych kategorii genów z unikalnymi zmianami reszt aminokwasowych u wielbłądów było związanych z aktywnością katalityczną, wiązaniem małych cząsteczek i wiązaniem ATP (ryc. 16 i 17 oraz tabele 39 i 40). Na podstawie analizy bloków syntenicznych u wielbł±da baktryjskiego zidentyfikowano 190 genów „zyskanych”, a u dromadera 126. Geny te są znacząco wzbogacone w kategorie związane z węchem i układem odpornościowym (tabele dodatkowe 41 i 42 oraz metody dodatkowe).

Metabolizm energii i tłuszczu

Jako że energia jest ważna dla wielbłądów żyjących na pustyniach ubogich w żywność, przeanalizowano selekcję genów zaangażowanych w procesy związane z energią. Cechy adaptacji w całym genomie zostały zidentyfikowane przez kategorie GO ze specyficzną dla linii przyspieszoną ewolucją (Supplementary Data 3-14). W przeciwieństwie do bydła, wspólne szybko ewoluujące kategorie GO trzech wielbłądowatych obejmowały odpowiedź komórkową na bodziec insulinowy (GO:0032869, P<0.001) i ścieżkę sygnalizacyjną receptora insulinowego (GO:0008286, P<0.001) (Dane uzupełniające 4, 8 i 14). Ponadto, zidentyfikowaliśmy szereg kategorii związanych z metabolizmem energii, glukozy i tłuszczu, które ewoluowały szybciej u tych wielbłądowatych niż u bydła. Niektóre z kategorii GO związanych z energią, zidentyfikowane jako ewoluujące szybciej u wielbłąda baktryjskiego niż u bydła, są zgodne z tymi opisanymi wcześniej3. Ponadto, 13 genów zaangażowanych w funkcje mitochondrialne, β-oksydację oraz syntezę i transport cholesterolu miało zmiany reszt aminokwasowych, które były unikalne dla wielbłąda baktryjskiego i dromadera. Kilka genów (ACC2, DGKZ i GDPD4) zaangażowanych w metabolizm tłuszczów uległo rozszerzeniu w genomie wielbłąda baktryjskiego, podczas gdy rozszerzone rodziny genów dromadera były wzbogacone w kategorii mitochondrium (GO:0005739, P=2,30 × 10-5) (Tabela uzupełniająca 37).

Różna liczba garbów u tych trzech wielbłądów może odzwierciedlać ich odmienne zdolności metabolizmu tłuszczów. Kategorie funkcjonalne związane z ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:0042626, P<0.01), mitochondriami (GO:0005739, GO:0005759, P<0.01), transportem lipidów (GO:0006869, PBactrian camel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0.00016) i odpowiedź na bodziec insulinowy (GO:0032868, PBactrian camel=0.0005, Pdromedary=1.33 × 10-5) ewoluowały szybko u obu gatunków wielbłądów w porównaniu z alpaką (Supplementary Table 43). Kategorie związane z metabolizmem lipidów ewoluowały szybciej u wielbłąda baktryjskiego niż u dromadera, na przykład proces katabolizmu lipidów (GO:0016042, P=0.0015) i różnicowanie komórek tłuszczowych (GO:0045444, P=2.54 × 10-9) (Tabela Uzupełniająca 44). Geny te mogą zwiększać zdolność do magazynowania energii i produkcji energii przez wielbłąda na pustyni i mogą również odzwierciedlać różnicę w metabolizmie tłuszczu, a z kolei być związane z liczbą garbów.

Odpowiedź na stres

Aby zbadać adaptacje do środowisk jałowych i gorących, przeanalizowaliśmy dalej geny zaangażowane w reakcje na stres. W porównaniu z bydłem, kategorie związane z uszkodzeniami i naprawą DNA (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0.01), apoptozą (GO:0006917, GO:0043066, P<0.01), stabilizacją białek (GO:0050821, PBactrian camel=0.00021, Pdromedary=3.44 × 10-19) i odpowiedzi immunologiczne (GO:0006955, GO:0051607, P<0.01) wykazywały przyspieszoną ewolucję u obu gatunków wielbłądów (Dane uzupełniające 8 i 14). W porównaniu z alpaką, znaczące kategorie funkcjonalne zidentyfikowano dla współstymulacji komórek T (GO:0031295, wielbłąd PBactrian=8.67 × 10-32, Pdromedary=9.33 × 10-9), procesów utleniania-redukcji (GO:0055114, wielbłąd PBactrian=4.88 × 10-15, Pdromedary=5.22 × 10-21) i aktywność oksydoreduktazy (GO:0016491, PBactrian camel=2.27 × 10-10, Pdromedary=7.23 × 10-7), z których wszystkie wykazywały przyspieszoną ewolucję u obu wielbłądów (Dane uzupełniające 6 i 12). Trzy geny (ERP44, NFE2L2 i MGST2) były skorelowane z reakcjami na stres oksydacyjny i charakteryzowały się unikalnymi zmianami reszt aminokwasowych w genomach obu wielbłądów. Rozszerzone rodziny genów dromadera były wzbogacone w aktywność oksydazy cytochromu c (GO:0004129, P=5.80 × 10-10) i aktywność monooksygenazy (GO:0004497, P=1.32 × 10-5) (Tabela Uzupełniająca 37). Wyniki te dostarczają dowodów na selekcję u wielbłądów w celu dostosowania się do surowych, jałowych warunków środowiska pustynnego.

Adaptacja układu oddechowego

Kolejnym wyzwaniem środowiska pustynnego jest unoszący się w powietrzu pył, który może prowadzić do chorób układu oddechowego, takich jak astma. Trzynaście PSGs w obu wielbłądach, w tym FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 i SEMA4A, było związanych z chorobami układu oddechowego u ludzi. Stwierdziliśmy również, że kategoria GO rozwoju płuc (GO:0030324, PB wielbłąda baktryjskiego=3.26 × 10-5, Pdromadera=1.18 × 10-19) (Dane uzupełniające 6 i 12) ewoluowała szybko u wielbłąda dromadera i wielbłąda baktryjskiego w porównaniu z alpaką. Selekcja tych genów dostarcza dalszych dowodów na przystosowanie wielbłądów do znoszenia wyzwań środowiska pustynnego.

Adaptacja układu wzrokowego

Promieniowanie słoneczne jest kolejnym aspektem środowiska pustynnego. Długotrwała ekspozycja na promieniowanie ultrafioletowe może prowadzić do wielu schorzeń okulistycznych. Zbadaliśmy geny, które mogą przyzwyczajać oczy wielbłądów do ekstremalnego promieniowania słonecznego na pustyni i zidentyfikowaliśmy pozytywną selekcję w genach OPN1SW, CX3CR1 i CNTFR, które są związane z fotorecepcją i ochroną wzroku, u obu wielbłądów. Wyniki wskazały również, że percepcja wzrokowa (GO:0007601, PBactrian camel=0.0018, Pdromedary=2.49 × 10-14) ewoluowała szybko u obu wielbłądów w porównaniu z alpaką (Dane uzupełniające 6 i 12). Wyniki te sugerują genetyczną podstawę zdolności wielbłądów do znoszenia długotrwałej ekspozycji na światło ultrafioletowe bez uszkodzenia układu wzrokowego.

Metabolizm soli

Potem skupiliśmy się na metabolizmie soli u wielbłądów, rozważając główny wpływ soli na bilans wodny. W przeciwieństwie do poprzedniego raportu na temat tolerancji soli3, nasze wyniki wskazały, że kategoria transportu jonów sodu (GO:0006814, PBactrian camel=0.0014, Pdromedary=0.00012) ewoluowała szybciej u obu wielbłądów niż u bydła (Dane uzupełniające 8 i 14). Kategoria związana z kompleksem kanałów potasowych bramkowanych napięciem (GO:0008076, PBactrian camel=8.77 × 10-8, Pdromedary=2.68 × 10-10) ewoluowała szybciej u obu wielbłądów w porównaniu z alpaką (Dane uzupełniające 6 i 12). Warto zauważyć, że genom wielbłąda baktryjskiego zawiera dwie kopie genów NR3C2 i IRS1, z których oba odgrywają krytyczną rolę w reabsorpcji sodu i równowadze wodnej w nerkach24,25,26, podczas gdy inne ssaki posiadają tylko jedną kopię każdego genu. Ta różnica sugeruje, że wielbłądy mogą metabolizować i transportować sól bardziej wydajnie niż alpaka i bydło, a te szlaki są ważne dla reabsorpcji wody.

Różnicowo wyrażone geny i analiza wzbogacania

Aby uzyskać lepszy wgląd w charakterystykę adaptacji do pustyni jałowej, sekwencjonowaliśmy transkryptomy kory nerek i rdzenia nerki grupy wielbłądów baktryjskich po 24 dniach warunków ograniczonych wodą (WR) i tych z grupy kontrolnej (CG) (Tabela Uzupełniająca 45 i Dane Uzupełniające 15 i 16). Wyselekcjonowaliśmy w tych tkankach geny ulegające lub ulegające znacznej regulacji (ryc. 18-21 i Metody uzupełniające), a następnie przeanalizowaliśmy wzbogacone kategorie GO tych genów (ryc. 22-25, Dane uzupełniające 17-20 i Metody uzupełniające). Nadreprezentacja kategorii związanych z wiązaniem jonów metali (GO:0046872, P=1,53 × 10-23) i regulacją poziomu płynów ustrojowych (GO:0050878, P=1,37 × 10-6) została wykryta w zestawie genów kory nerek (Supplementary Data 17). Kategorie GO związane z procesem metabolizmu glukozy (GO:0006006, P=4.11 × 10-6), glukoneogenezą (GO:0006094, P=0.0026), mitochondrium (GO:0005739, P=2.13 × 10-5), wytwarzaniem metabolitów prekursorowych i energii (GO:0006091, P=0.0077), odpowiedzią na poziom składników odżywczych (GO:0031667, P=0.0064) i odpowiedzią na stres (GO:0006950, P=0.0094) były wzbogacone w zestaw genów rdzenia nerki (Dane uzupełniające 19).

Wchłanianie sodu

Geny kodujące Na+/K+-ATPazę i nabłonkowy kanał Na+ (ENaC), które reabsorbują sód w nerce, były podwyższone w korze i rdzeniach nerek w warunkach WR (Tabele uzupełniające 46 i 47). Elastyczna transkrypcja podjednostek ENaC w różnych tkankach i w różnych warunkach sugeruje, że wielbłąd reguluje aktywność reabsorpcyjną Na+ przez ENaC, aby sprostać różnym fizjologicznym wymaganiom wodnym. Wyniki te wskazują, że regulacja reabsorpcji sodu może być istotna dla przetrwania wielbłądów w środowisku ubogim w wodę.

Zastrzeżenie wody

Wielbłąd jest znany ze swojej adaptacji do długotrwałego ograniczenia wody. Dlatego zbadaliśmy mechanizm rezerwacji wody poprzez analizę transkrypcji genów rodziny akwaporyn, które są selektywnymi kanałami wodnymi o ważnych funkcjach w reabsorpcji wody i metabolizmie. AQP1, AQP2 i AQP3 były trzema genami o najwyższej różnicy ekspresji w korze i rdzeniach nerek w warunkach WR (tabele uzupełniające 48 i 49 oraz rycina uzupełniająca 26). Geny te mogą umożliwiać wielbłądom bardziej efektywną reabsorpcję wody w środowisku ubogim w wodę. Nie wykryliśmy jednak mRNA AQP4 w nerkach wielbłąda baktryjskiego, co jest zgodne z brakiem jego ekspresji u gryzonia pustynnego Dipodomys merriami merriami27, ale w przeciwieństwie do jego obfitej ekspresji w nerkach ludzkich28. Co ciekawe, unikalna zmiana reszt aminokwasowych (R261C) została zaobserwowana w AQP4 w genomie wielbłąda baktryjskiego (Supplementary Fig. 27). Wyniki te mogą sugerować unikalną strategię reabsorpcji i metabolizmu wody w nerce wielbłąda.

Osmoregulacja

Ponieważ hipertoniczność jest podstawą równowagi wodnej i reabsorpcji w nerce, przeanalizowano ekspresję genów, które są zaangażowane w osmoregulację w rdzeniach nerek. Jądrowy czynnik aktywowanych komórek T 5 (NFAT5), jedyny znany czynnik transkrypcyjny regulowany tonicznością u ssaków29, uległ ekspresji na poziomie 3,66% poziomu kontrolnego w warunkach WR (Tabela uzupełniająca 50). Odpowiednio, kotransporter sodu/mio-inozytolu (SMIT), zależny od sodu i chlorku transporter tauryny (TauT) oraz zależny od sodu i chlorku transporter betainy (BGT1) wykazywały zmniejszoną ekspresję w warunkach WR. Te trzy transportery transaktywowane przez NFAT5 transportują zgodne osmolity organiczne do komórek rdzenia nerki (RMCs) w odpowiedzi na hipertoniczność30 (ryc. 4). Downregulation of NFAT5 and its target genes during hypertonic stress has not been observed in other mammals29,31, including desert animals such as the Spinifex hopping mouse (Notomys alexis)32. Nasze ustalenia wskazują, że wielbłądy mogą polegać na innych strategiach osmoregulacyjnych w celu ochrony przed stresem hipertonicznym podczas długotrwałego ograniczenia wody.

Organiczne osmolity

Kumulacja organicznych osmolitów pomaga RMCs zrównoważyć ciśnienie osmotyczne między środowiskiem wewnątrzkomórkowym i zewnątrzkomórkowym30. Downregulacja TauT, BGT1 i SMIT sugeruje, że transport tauryny, betainy i mio-inozytolu do komórek jest zmniejszony. Co znamienne, zaobserwowaliśmy transkrypcyjną podwyżkę reduktazy aldozy (AR) i obniżenie dehydrogenazy sorbitolu (SDH) w szlaku sorbitolu; zaobserwowaliśmy również transkrypcyjną podwyżkę esterazy docelowej neuropatii (NTE) i stabilną transkrypcję białka zawierającego domenę fosfodiesterazy glicerofosfodiestrowej 5 (GDPD5) w szlaku glicerofosfocholiny (GPC) (ryc. 4 i tabela uzupełniająca 50). Wzorce ekspresji tych genów sugerują, że u wielbłąda sorbitol i GPC mogą gromadzić się w warunkach WR, a osmolity mogą być produkowane głównie przez same RMCs. Sorbitol może służyć jako źródło energii33 i pomagać w równoważeniu osmolalności wysokiego zewnątrzkomórkowego NaCl34; koszt energetyczny gromadzenia GPC w odpowiedzi na wysoki poziom NaCl lub mocznika w rdzeniach nerek30 może być mniejszy niż koszt transportu betainy do komórek wbrew wysokiemu gradientowi stężeń30. Tak więc, te różnice w ekspresji genów związanych z osmolitami wskazują, że dwa osmolity, a nie pięć są głównie wykorzystywane w odpowiedzi na hipertoniczność w ramach modelu niskiego zużycia energii dla przetrwania wielbłąda na pustyni ubogiej w żywność.

Co ważne, zaobserwowaliśmy, że poziomy ekspresji GLUT1 (transporter glukozy 1) i geny zaangażowane w glikolizę były głęboko zwiększone w rdzeniach nerek w warunkach WR (Tabela uzupełniająca 51). Wraz z wcześniejszymi doniesieniami, że poziom ekspresji GLUT1 jest indukowany przez stres osmotyczny i metaboliczny35, nasze wyniki sugerują, że zwiększenie spożycia glukozy nie tylko zapewnia wystarczające stężenie glukozy do syntezy sorbitolu, ale także dostarcza energii wymaganej dla wyregulowanej Na/K-ATPazy do utrzymania wewnętrznego gradientu jonowego dla adaptowanej hipertoniczności (ryc. 4). Łącznie, nasze obserwacje sugerują, że charakterystyczne wysokie stężenie glukozy we krwi (6-8 mmol l-1)36,37 wielbłądów może być adaptacyjną strategią ewolucyjną dla osmoregulacji i reabsorpcji wody RMCs podczas antydiurezy.

Osmoprotekcja

Zważywszy na możliwość hiperosmotycznego uszkodzenia komórek30, przeanalizowaliśmy ekspresję genów związanych z ochroną komórek i stwierdziliśmy, że poziomy ekspresji 25 genów kodujących antyoksydanty i związane z nimi enzymy (Tabela Uzupełniająca 52) były wyższe w rdzeniach nerek w warunkach WR. Geny kodujące antyoksydacyjne czynniki transkrypcyjne, w tym Nrf2, czynnik szoku cieplnego-1, kompleks białka aktywatora-1, p53, czynnik jądrowy-κB oraz transduktor sygnału i aktywator transkrypcji 4, również wykazywały podwyższoną ekspresję w rdzeniach nerek WR. Ponadto, zidentyfikowaliśmy 14 genów szoku cieplnego, które przyczyniają się do eliminacji źle uformowanych białek w warunkach hiperosmolarności30, które były podwyższone w rdzeniach nerek WR (Tabela uzupełniająca 52). Gen clusterin, cytoprotekcyjny chaperon, został dramatycznie zwiększony o ~8,9-krotnie i miał najwyższy poziom transkrypcji w rdzeniach nerek WR (odczyty na kilobazę na milion zmapowanych odczytów=27,069). Wcześniejsze badania wykazały, że klusteryna jest indukowana przez glukozę38 i związana z różnymi stanami patologicznymi, w tym z cukrzycą39 i uszkodzeniem nerek40. Identyfikacja klasteryny jako PSG u dromadera sugeruje, że gen ten może odgrywać główną rolę w cytoprotekcji rdzenia nerki wielbłąda podczas restrykcji wody i że wysoki poziom glukozy we krwi u wielbłądów może pełnić funkcję podczas osmoprotekcji. Ogólnie rzecz biorąc, upregulation of osmoprotective genes indicates that camels have a sophisticated osmoprotective capability under WR conditions.

.