Secvențierea și asamblarea genomului

Am secvențiat genomurile unei femele de cămilă bactriană (acoperire de 79,3 ori), ale unui mascul de dromader (acoperire de 65,0 ori) și ale unei femele de alpaca (acoperire de 72,5 ori) utilizând platforma Illumina HiSeq2000. Dimensiunea actuală estimată a genomului cămilei bactriane (2,45 Gb) este comparabilă cu cea a unui raport anterior (2,38 Gb) bazat pe analiza K-mer3. Dimensiunile genomului asamblat pentru cei trei indivizi au fost de 2,01, 2,01 și, respectiv, 2,05 Gb (tabelele suplimentare 1-10 și figurile suplimentare 2 și 3). Dimensiunea actuală a genomului asamblat pentru cămila bactriană este identică cu dimensiunea raportată anterior3. Lungimile contig N50 și scaffold N50 (tabelul 1) au fost de 24,9 kb și 8,7 Mb pentru cămila bactriană, 54,1 kb și 4,1 Mb pentru dromader și, respectiv, 66,3 kb și 5,1 Mb pentru alpaca. În comparație cu genomul cămilei bactriene sălbatice3, genomurile actuale ale acestor trei camelide au lungimi N50 mai mici ale contigurilor, dar lungimi N50 mai mari ale scheletelor. Cartografierea bibliotecilor cu o dimensiune de inserție de 2 kb pe schelă a indicat faptul că fiecare dintre secvențele genomului era de înaltă calitate (Fig. suplimentară 4 și Metode suplimentare), iar transcriptomul cămilei bactriane a demonstrat, de asemenea, un ansamblu genomic de înaltă calitate pentru cămila bactriană actuală și pentru cămila bactriană sălbatică3 (Tabelele suplimentare 11 și 12). Genomurile camelidelor au împărtășit o sintenie ridicată cu genomurile de referință umane și bovine (rata de acoperire >83%) și o rată relativ scăzută de rearanjare genomică în cadrul Camelidae (tabelele suplimentare 13 și 14 și metodele suplimentare). Sintenia dintre genomul cămilei bactriane și cel al bovinelor observată în studiul de față este mai mare decât cea raportată anterior3. Studiul nostru susține ideea că evoluția divergentă la Camelidae a avut loc prin mutații genetice unice sau rearanjamente cromozomiale minore5. Am estimat duplicarea segmentară a acestor trei indivizi: lungimea totală a duplicării segmentare atât la cămila bactriană, cât și la dromader a fost de 26 Mb, mai mică decât cea a alpaca (36 Mb) (Tabelul suplimentar 15). Duplicarea segmentară în rândul acestor trei organisme este mai mică decât cea raportată la bovine (94,4 Mb)6.

Anotarea genomului

Utilizând o combinație de căutări de secvențe omoloage și predicții genetice ab initio, am adnotat 20.251, 20.714 și 20.864 de gene în genomurile cămilei bactriane, dromaderului și, respectiv, alpaca (Fig. Suplimentară 5 și Tabelele Suplimentare 16 și 17). Am utilizat metoda CEGMA7 , care include 458 de gene eucariote de bază, pentru a evalua caracterul complet al genomurilor și al adnotării. Marea majoritate a acestor gene de bază au fost aliniate la genomurile camelidelor (99,12 % pentru cămila bactriană, 98,47 % pentru dromader și 99,12 % pentru alpaca), iar majoritatea au fost prezente în seturile noastre de gene prezise (97,82 % pentru cămila bactriană, 96,73 % pentru dromader și 93,87 % pentru alpaca), susținând caracterul complet al genomurilor asamblate și al identificării seturilor de gene (tabelele suplimentare 18-20). Analizele comparative ale celor trei seturi de gene ale camelidelor au evidențiat o similaritate ridicată a secvențelor de gene (>90%), dar distribuții diferite de nesinonime/sinonime (Ka/Ks) (Figurile suplimentare 6 și 7). Analizele funcționale ale seturilor de gene au indicat că >91% dintre gene au fost adnotate funcțional în fiecare genom (tabelele suplimentare 21-23).

Conținutul de secvențe repetate al genomurilor de camelide (30,4% la cămila bactriană, 32.1 % la alpaca și 28,4 % la dromader) a fost cu 10 % mai mic decât cel al bovinelor (42,5 %) și al oamenilor (46,1 %), datorită numărului mic de elemente nucleotidice scurte intercalate în genomurile camelidelor (tabelele suplimentare 24-27). Conținutul de secvențe repetate din genomul cămilei bactriane a fost similar cu cel raportat anterior3. Adnotarea genelor ARN necodificatoare a evidențiat un număr similar de copii pentru fiecare genom (cămilă bactriană = 1 942; dromader = 2 209; alpaca = 2 328; tabelele suplimentare 28-30). Am identificat 12.539 de familii de gene omoloage care sunt împărtășite de 4 specii din ordinul Cetartiodactyla (cămila bactriană, dromaderul, alpaca și bovinele): 156, 153 și 296 de familii de gene erau specifice cămilei bactriane, dromaderului și, respectiv, alpaca (Fig. 1).

Analiză evolutivă și filogenie

A fost construit un arbore filogenetic care include camelidele (cămila bactriană, dromaderul și alpaca) și alte șapte specii (bovine, cal, câine, panda, om, șoarece și oposum). Arborele a fost generat cu ajutorul PhyML8 pe baza situsurilor codonice degenerate de patru ori extrase din 7.398 de gene ortologe cu o singură copie identificate de TreeFam9 (tabelul suplimentar 31 și figurile suplimentare 8 și 9). Timpul estimat de divergență între camelide și bovine este de 42,7 milioane de ani în urmă (Mya) (Fig. 2 și Fig. Suplimentară 10). Acest rezultat este în concordanță cu momentul (45,9 Mya) în care dovezile paleontologice indică faptul că familia Camelidae a apărut pentru prima dată în America de Nord10 , dar este în contrast cu o estimare anterioară a momentului de divergență a liniilor de bovine și de cămilă bactriană, bazată pe 332 de ortologi (55-60 Mya)3. Timpul estimat de divergență al strămoșilor alpaca și ai celor două cămile (16,3 Mya) este în concordanță cu descoperirile paleontologice, indicând că divizarea între Camelini și Lamini a avut loc în America de Nord ~17 Mya (ref. 10). Timpul de divergență dintre cămila bactriană și dromader este de ~4,4 Mya, ceea ce implică faptul că acestea au deviat probabil după ce strămoșul lor comun a migrat din America de Nord în Eurasia prin Istmul Bering în timpul Miocenului târziu (7,246-4,9 Mya)10,11. Am analizat rapoartele de substituție Ka/Ks specifice ramurii (ω) pentru aceste zece mamifere folosind metoda lui Kosiol et al.12: cămila bactriană și dromaderul au avut valori ω mai mari pe ramură (figura suplimentară 11, tabelul suplimentar 32 și metodele suplimentare). Această evoluție accelerată la cămile ridică posibilitatea unei evoluții specifice cămilei pentru a se adapta la un mediu deșertic.

Ratele de heterozigoți și istoricul demografic

SNP-urile au fost identificate cu ajutorul SOAPsnp13. Ratele estimate de heterozigoți ale genomurilor cămilei bactriane, dromaderului și alpaca au fost de 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 și, respectiv, 2,66 × 10-3 (tabelele suplimentare 33-35). Rata de heterozigoți a cămilei bactriane estimată aici este comparabilă cu cea raportată anterior (1,0 × 10-3 și 1,29 × 10-3)3,4. Distribuțiile SNP genomice între aceste mamifere sunt diferite (Fig. Suplimentară 12).

Istoria demografică a acestor camelide a fost construită pe baza datelor SNP prin aplicarea modelului coalescent secvențial markovian secvențial pe perechi (PSMC)14 (Fig. 3). Rezultatele analizei noastre au indicat că strămoșul cămilei bactriene a avut dimensiuni stabile ale populației după două declinuri care au avut loc la 3,69 și 2,61 Mya. Pentru strămoșul dromaderului au fost calculate două scăderi ale dimensiunii populației care au avut loc la 1,72 și 0,77 Mya. Aceste scăderi estimate ale mărimii populației strămoșilor ambelor specii sunt în concordanță cu tranzițiile între vârstele geologice, inclusiv Zanclean și Piacenzian (3,60 Mya), Piacenzian și Gelasian (2,59 Mya), Gelasian și Calabrian (1,81 Mya) și Calabrian și Ionian (0,78 Mya)15 , sugerând o corelație probabilă. Mai mult, expansiunea populației ancestrale a dromaderului a avut loc între 1,25 și 0,77 Mya, coincizând cu tranziția Pleistocenului mijlociu de la 1,25 la 0,70 Mya, o perioadă de schimbări fundamentale în ciclicitatea climatică a Pământului16 care a avut un efect profund asupra distribuției și evoluției biotei17. Acest interval de timp coincide, de asemenea, cu epoca mamiferelor galeriene (de la 1,2 la 0,60 Mya), care a fost caracterizată de o reînnoire a faunei care, în unele cazuri, a dat naștere unor specii noi, adaptate la climatele aride și reci18; mai important, însă, acest interval de timp coincide și cu diversitatea maximă a familiei Camelidae, care a avut loc la începutul galeriei19. Această corelație susține adaptarea strămoșului dromaderului la schimbările de mediu și o expansiune a populației sale în timpul tranziției Pleistocenului mediu. Cea mai recentă scădere a populației strămoșului cămilei bactriene a avut loc în urmă cu ~60 de mii de ani (Kya), ceea ce corespunde cu dispersia oamenilor moderni din Africa în Eurasia20, locul de origine al cămilei bactriene. Prin urmare, este posibil ca activitățile umane să fi avut un impact asupra populației ancestrale recente a cămilei bactriene.

Dimensiunea efectivă a populației strămoșului alpaca a scăzut treptat între ~5.37 Mya, care este mai aproape de granița temporală dintre stadiul Messinian și Zanclean (5,33 Mya)15, și 2,09 Mya, care se află în epoca Uquian (3 până la 1,2 Mya), în timpul căreia strămoșul alpaca a migrat în America de Sud prin podul terestru panamez în Marele Schimb Biotic American21. Acest lucru sugerează că migrația ar fi putut contribui la reducerea dimensiunii populației strămoșului alpaca. Dimensiunea populației sale s-a extins apoi în timpul Pleistocenului, urmată de trei perioade de blocaje majore înainte de 501, 139 și 44 Kya. Populația a suferit o expansiune majoră ~72 Kya, ajungând la o dimensiune de ~113 × 104 indivizi. Cel mai recent gât de gâtuire (44 Kya) corespunde ultimului maxim glaciar (48-25 Kya), care a fost avansat în America de Sud22 și a dus la o reducere dramatică a dimensiunii populației la ~1,2 × 104 indivizi. Acest lucru implică faptul că condițiile reci din America de Sud din acea perioadă ar fi putut avea ca rezultat restrângerea dimensiunii populației strămoșului alpaca spre sfârșitul Pleistocenului.

Evoluția genelor

Am investigat în continuare genele camelidelor care stau la baza adaptării la mediu. Am adoptat CAFÉ23 pentru a identifica familiile de gene care au suferit expansiuni și contracții semnificative în timpul evoluției (Fig. 2 și Metode suplimentare) și am identificat 373 de familii de gene expandate și 853 contractate în genomul dromaderului, 183 de familii de gene expandate și 753 contractate în genomul cămilei bactriane și 501 familii de gene expandate și 2.189 contractate în genomul alpaca. Multe dintre familiile de gene extinse la aceste trei camelide sunt îmbogățite în mod semnificativ în categoriile Gene Ontology (GO) legate de procese celulare, părți ale celulelor, activitatea receptorilor olfactivi, fier și imunitate (figurile suplimentare 13-15 și tabelele suplimentare 36-38). Am identificat 287 de gene selectate pozitiv (PSGs) la cămila bactriană (Date suplimentare 1), 324 PSGs la dromader (Date suplimentare 2) și 151 PSGs care erau comune ambelor genomuri, indicând presiuni selective similare. O evaluare a modificărilor unice de reziduuri de aminoacizi în genele ortologe care sunt prezente la 23 de specii a identificat 350 și 343 de gene modificate la cămila bactriană și, respectiv, la dromader. Mai multe categorii suprareprezentate de gene cu modificări unice ale reziduurilor de aminoacizi la cămile au fost legate de activitatea catalitică, de legarea moleculelor mici și de legarea ATP (figurile suplimentare 16 și 17 și tabelele suplimentare 39 și 40). Pe baza unei analize a blocurilor sintenice, au fost identificate 190 de gene câștigate la cămila bactriană și 126 la dromader. Aceste gene câștigate sunt îmbogățite semnificativ în categoriile legate de olfacție și imunitate (Tabelele suplimentare 41 și 42 și Metode suplimentare).

Metabolism energetic și al grăsimilor

Deoarece energia este importantă pentru cămilele care trăiesc în deșerturi cu deficit de hrană, a fost analizată selecția de gene implicate în procesele legate de energie. Caracteristicile de adaptare la nivelul genomului au fost identificate prin categorii GO cu evoluție accelerată specifică liniei (Date suplimentare 3-14). Spre deosebire de bovine, categoriile GO cu evoluție rapidă comune celor trei camelide au inclus răspunsul celular la stimulii de insulină (GO:0032869, P<0,001) și calea de semnalizare a receptorului de insulină (GO:0008286, P<0,001) (Date suplimentare 4, 8 și 14). În plus, am identificat o serie de categorii asociate cu metabolismul energetic, al glucozei și al grăsimilor care au evoluat mai rapid la aceste camelide decât la bovine. Unele dintre categoriile GO legate de energie identificate ca evoluând mai rapid la cămila bactriană decât la bovine sunt în concordanță cu cele raportate anterior3. Mai mult, 13 gene implicate în funcția mitocondrială, în β-oxidare și în sinteza și transportul colesterolului au prezentat modificări ale reziduurilor de aminoacizi care au fost unice la cămila bactriană și la dromader. Mai multe gene (ACC2, DGKZ și GDPD4) implicate în metabolismul grăsimilor au suferit o expansiune în genomul cămilei bactriene, în timp ce familiile de gene extinse ale dromaderului au fost îmbogățite în categoria mitocondriilor (GO:0005739, P=2,30 × 10-5) (Tabelul suplimentar 37).

Numărul diferit de cocoașe la aceste trei camelide poate reflecta abilitățile lor distincte de metabolizare a grăsimilor. Categoriile funcționale asociate cu ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:0042626, P<0,01), mitocondrii (GO:0005739, GO:0005759, P<0,01), transportul lipidelor (GO:0006869, PBactrian camel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0,00016) și răspunsul la stimulii de insulină (GO:0032868, PBactrian camel=0,0005, Pdromedary=1,33 × 10-5) au evoluat rapid la ambele specii de cămilă în comparație cu alpaca (tabelul suplimentar 43). Categoriile asociate cu metabolismul lipidic au evoluat mai rapid la cămila bactriană decât la dromader, de exemplu, procesul catabolic al lipidelor (GO:0016042, P=0,0015) și diferențierea celulelor adipoase (GO:0045444, P=2,54 × 10-9) (Tabelul suplimentar 44). Aceste gene pot spori capacitatea de stocare și producție de energie a unei cămile în deșert și pot reflecta, de asemenea, o diferență în metabolismul grăsimilor și, la rândul lor, pot fi legate de numărul de cocoașe.

Răspunsul la stres

Pentru a investiga adaptările la mediile aride și calde, am analizat în continuare genele implicate în răspunsul la stres. Comparativ cu bovinele, categoriile asociate cu deteriorarea și repararea ADN-ului (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0,01), apoptoza (GO:0006917, GO:0043066, P<0,01), stabilizarea proteinelor (GO:0050821, PBactrian camel=0.00021, Pdromedary=3,44 × 10-19) și răspunsurile imune (GO:0006955, GO:0051607, P<0,01) au prezentat o evoluție accelerată la ambele specii de cămile (Date suplimentare 8 și 14). În comparație cu alpaca, au fost identificate categorii funcționale semnificative pentru co-stimularea celulelor T (GO:0031295, PBactrian camel=8,67 × 10-32, Pdromedary=9,33 × 10-9), procesele de oxidare-reducere (GO:0055114, PBactrian camel=4.88 × 10-15, Pdromedary=5,22 × 10-21) și activitatea oxidoreductazei (GO:0016491, PBactrian camel=2,27 × 10-10, Pdromedary=7,23 × 10-7), toate acestea au prezentat o evoluție accelerată la ambele cămile (Date suplimentare 6 și 12). Trei gene (ERP44, NFE2L2 și MGST2) au fost corelate cu răspunsurile la stresul oxidativ și au prezentat modificări unice ale reziduurilor de aminoacizi în ambele genomuri de cămilă. Familiile de gene extinse ale dromaderului au fost îmbogățite în activitatea de citocrom c oxidază (GO:0004129, P=5,80 × 10-10) și în activitatea de monooxigenază (GO:0004497, P=1,32 × 10-5) (tabelul suplimentar 37). Aceste rezultate oferă dovezi ale selecției la cămile pentru a se adapta la condițiile aspre și aride ale mediului deșertic.

Adaptarea sistemului respirator

O altă provocare a mediului deșertic este praful din aer, care poate duce la boli respiratorii, cum ar fi astmul. Treisprezece PSG-uri la ambele cămile, inclusiv FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 și SEMA4A, au fost legate de bolile respiratorii la om. Am constatat, de asemenea, că categoria GO de dezvoltare a plămânilor (GO:0030324, PBactrian camel=3,26 × 10-5, Pdromedary=1,18 × 10-19) (Date suplimentare 6 și 12) a evoluat rapid la cămila dromader și cămila bactriană în comparație cu alpaca. Selecția acestor gene oferă o dovadă suplimentară a adaptării cămilelor pentru a suporta provocările mediului deșertic.

Adaptarea sistemului vizual

Radiația solară este un alt aspect al mediului deșertic. Expunerea pe termen lung la radiațiile ultraviolete poate duce la o serie de afecțiuni oftalmologice. Am examinat genele care ar putea obișnui ochii cămilelor la iradierea solară extremă din deșert și am identificat o selecție pozitivă la genele OPN1SW, CX3CR1 și CNTFR, care sunt legate de fotorecepție și protecție vizuală, la ambele cămile. Rezultatele au indicat, de asemenea, că percepția vizuală (GO:0007601, PBactrian camel=0,0018, Pdromedary=2,49 × 10-14) a evoluat rapid la ambele cămile în comparație cu alpaca (Date suplimentare 6 și 12). Aceste rezultate sugerează o bază genetică pentru capacitatea cămilelor de a suporta expunerea prelungită la lumina ultravioletă fără a afecta sistemul vizual.

Metabolismul sării

Ne-am concentrat apoi asupra metabolismului sării la cămile, luând în considerare efectul principal al sării asupra echilibrului apei. Spre deosebire de un raport anterior privind toleranța la sare3, rezultatele noastre au indicat că categoria de transport al ionilor de sodiu (GO:0006814, PBactrian camel=0,0014, Pdromedary=0,00012) a evoluat mai rapid la ambele cămile decât la bovine (Date suplimentare 8 și 14). Categoria asociată cu complexul canalului de potasiu pornit în tensiune (GO:0008076, PBactrian camel=8,77 × 10-8, Pdromedary=2,68 × 10-10) a evoluat rapid la ambele cămile în comparație cu alpaca (Date suplimentare 6 și 12). În mod notabil, genomul cămilei bactriene conține două copii ale genelor NR3C2 și IRS1, ambele având roluri critice în reabsorbția sodiului și în echilibrul apei în rinichi24,25,26, în timp ce alte mamifere posedă doar o singură copie a fiecărei gene. Această diferență sugerează că cămilele pot metaboliza și transporta sarea mai eficient decât alpaca și bovinele, iar aceste căi sunt importante pentru reabsorbția apei.

Gene exprimate diferențiat și analiză de îmbogățire

Pentru a obține o mai bună înțelegere a caracteristicilor adaptării la deșertul arid, am secvențiat transcriptomii corticali și medulari renali ai unui grup de cămile bactriene după 24 de zile de condiții de restricție a apei (WR) și cei ai unui grup de control (CG) (Tabelul suplimentar 45 și datele suplimentare 15 și 16). Am selectat genele semnificativ suprareglementate sau subreglementate în aceste țesuturi (figurile suplimentare 18-21 și metodele suplimentare) și apoi am analizat categoriile GO îmbogățite ale acestor gene (figurile suplimentare 22-25, datele suplimentare 17-20 și metodele suplimentare). În setul de gene corticale renale supra-reprezentate a fost detectată o suprareprezentare a categoriilor asociate cu legarea ionilor metalici (GO:0046872, P=1,53 × 10-23) și cu reglarea nivelului fluidelor corporale (GO:0050878, P=1,37 × 10-6) (Date suplimentare 17). Categoriile GO asociate cu procesul metabolic al glucozei (GO:0006006, P=4,11 × 10-6), gluconeogeneza (GO:0006094, P=0,0026), mitocondria (GO:0005739, P=2,13 × 10-5), generarea de metaboliți precursori și energie (GO:0006091, P=0,0077), răspunsul la nivelurile de nutrienți (GO:0031667, P=0,0064) și răspunsul la stres (GO:0006950, P=0.0094) au fost îmbogățite în setul de gene medulare renale upregulate (Date suplimentare 19).

Reabsorbția de sodiu

Genele care codifică Na+/K+-ATPază și canalul Na+ epitelial (ENaC), care reabsorb sodiul în rinichi, au fost upregulate în cortexul și medula renală în condiții WR (Tabelele suplimentare 46 și 47). Transcrierea flexibilă a subunităților ENaC în diferite țesuturi și în condiții diferite sugerează că cămila reglează activitatea de reabsorbție a Na+ a ENaC pentru a face față diferitelor cerințe fiziologice de apă. Aceste constatări indică faptul că reglarea reabsorbției de sodiu poate fi esențială pentru supraviețuirea cămilelor într-un mediu cu deficit de apă.

Rezervă de apă

Cămila este renumită pentru adaptarea sa la restricția prelungită de apă. Prin urmare, am investigat mecanismul de rezervare a apei prin analizarea transcripției genelor din familia aquaporinelor, care sunt canale selective de apă cu funcții importante în reabsorbția și metabolismul apei. AQP1, AQP2 și AQP3 au fost primele trei gene exprimate în mod diferit în cortexul și măduva renală în condițiile WR (tabelele suplimentare 48 și 49 și figura suplimentară 26). Aceste gene pot permite cămilelor să reabsoarbă apa mai eficient într-un mediu cu deficit de apă. Cu toate acestea, nu am detectat ARNm AQP4 în rinichiul cămilei Bactrian, în concordanță cu lipsa sa de expresie la rozătorul de deșert Dipodomys merriami merriami27 , dar în contrast cu expresia sa abundentă în rinichiul uman28. În mod interesant, în genomul cămilei bactriane a fost observată o modificare unică a reziduurilor de aminoacizi (R261C) în AQP4 (figura suplimentară 27). Aceste constatări pot sugera o strategie unică pentru reabsorbția și metabolismul apei în rinichiul cămilei.

Osmoreglare

Deoarece hipertonicitatea este baza echilibrului și reabsorbției apei în rinichi, a fost analizată expresia genelor care sunt implicate în osmoreglare în medula renală. Factorul nuclear al celulelor T activate 5 (NFAT5), singurul factor de transcripție reglementat de tonicitate cunoscut la mamifere29 , a fost exprimat la 3,66 % din nivelul de control în condiții WR (tabelul suplimentar 50). În consecință, cotransportatorul de sodiu/mio-inositol (SMIT), transportatorul de taurină dependent de sodiu și clorură (TauT) și transportatorul de betaină dependent de sodiu și clorură (BGT1) au prezentat o expresie redusă în condiții WR. Acești trei transportatori transactivați de NFAT5 transportă osmoliți organici compatibili în celulele medulare renale (RMC) ca răspuns la hipertonicitate30 (Fig. 4). Reglarea descendentă a NFAT5 și a genelor sale țintă în timpul stresului hipertonic nu a fost observată la alte mamifere29,31, inclusiv la animalele din deșert, cum ar fi șoarecele săritor Spinifex (Notomys alexis)32. Constatările noastre indică faptul că cămilele se pot baza pe alte strategii de osmoreglare pentru a se proteja împotriva stresului hipertonic în timpul restricției de apă pe termen lung.

Osmolitici organici

Acumularea de osmoliți organici ajută CMR să echilibreze presiunea osmotică între mediile intracelular și extracelular30. Reglarea descendentă a TauT, BGT1 și SMIT implică faptul că transportul de taurină, betaină și mio-inositol în celule este diminuat. În mod remarcabil, am observat creșterea transcripțională a reductazei aldozei (AR) și scăderea dereglementării sorbitol dehidrogenazei (SDH) în calea sorbitolului; am observat, de asemenea, creșterea transcripțională a esterazei țintă a neuropatiei (NTE) și transcrierea stabilă a proteinei 5 care conține domeniul glicerofosfodiester fosfodiesterazei (GDPD5) în calea glicerofosfocolinei (GPC) (Fig. 4 și tabelul suplimentar 50). Tiparele de expresie ale acestor gene sugerează că, la cămilă, sorbitolul și GPC se pot acumula în condiții de WR și că osmoliții pot fi produși în principal de către CMR-urile însele. Sorbitolul poate servi ca sursă de energie33 și poate contribui la echilibrarea osmolalității unui nivel ridicat de NaCl extracelular34; costul energetic al acumulării de GPC ca răspuns la un nivel ridicat de NaCl sau uree în măduva renală30 poate fi mai mic decât cel al transportului de betaină în celule împotriva unui gradient de concentrație ridicat30. Astfel, aceste variații în expresia genelor legate de osmoliți indică faptul că doi osmoliți, mai degrabă decât cinci, sunt utilizați în principal ca răspuns la hipertonicitate, ca parte a unui model de consum redus de energie pentru supraviețuirea cămilelor în deșertul cu deficit de hrană.

Important, am observat că nivelurile de expresie ale GLUT1 (transportorul de glucoză 1) și ale genelor implicate în glicoliză au fost profund crescute în medula renală în condițiile WR (tabelul suplimentar 51). Împreună cu un raport anterior conform căruia nivelul de expresie al GLUT1 este indus de stresul osmotic și metabolic35, rezultatele noastre sugerează că sporirea aportului de glucoză nu numai că asigură o concentrație suficientă de glucoză pentru sinteza de sorbitol, dar furnizează și energia necesară pentru ca Na/K-ATPază crescută să mențină gradientul ionic intern pentru hipertonicitatea adaptată (Fig. 4). În mod colectiv, observațiile noastre sugerează că nivelul ridicat de glucoză din sânge (6-8 mmol l-1)36,37 caracteristic cămilelor poate fi o strategie evolutivă adaptivă pentru osmoreglarea și reabsorbția de apă a CMR în timpul antidiurezei.

Osmoprotecție

Datorită potențialului de deteriorare hiperosmotică a celulelor30, am analizat expresia genelor legate de protecția celulară și am constatat că nivelurile de expresie a 25 de gene care codifică antioxidanți și enzime înrudite (tabelul suplimentar 52) au fost mai ridicate în măduva renală în condițiile WR. Genele care codifică factori de transcripție antioxidanți, inclusiv Nrf2, factorul de șoc termic-1, complexul proteinei activatoare-1, p53, factorul nuclear-κB și transductorul de semnal și activatorul de transcripție 4 au prezentat, de asemenea, o expresie crescută în medula renală WR. În plus, am identificat 14 gene de șoc termic, care contribuie la eliminarea proteinelor prost pliate în condiții de hiperosmolalitate30, care au fost suprareglementate în măduva renală WR (tabelul suplimentar 52). Gena clusterin, un chaperon citoprotector, a fost crescută dramatic cu ~8,9 ori și a avut cel mai înalt nivel de transcriere în medula renală WR (citiri pe kilobază pe milion de citiri cartografiate = 27 069). Studii anterioare au arătat că clusterina este indusă de glucoză38 și asociată cu diverse stări patologice, inclusiv diabetul39 și leziunile renale40. Identificarea clusterinei ca PSG la dromader sugerează că această genă poate juca un rol major în citoprotecția medularei renale a cămilei în timpul restricției de apă și că nivelul ridicat de glucoză din sânge la cămile poate avea o funcție în timpul osmoprotecției. În general, reglarea ascendentă a genelor osmoprotectoare indică faptul că cămilele au o capacitate osmoprotectoare sofisticată în condiții de WR.

.