Sekvensering och sammansättning av genomet

Vi har sekvenserat genomet hos en baktransk kamelhona (79,3-faldig täckning), en hane av en dromedarkamel (65,0-faldig täckning) och en alpackahona (72,5-faldig täckning) med Illumina HiSeq2000-plattformen. Den nuvarande uppskattade genomstorleken för den baktriska kamelen (2,45 Gb) är jämförbar med den i en tidigare rapport (2,38 Gb) baserad på K-mer-analys3. De sammansatta genomstorlekarna för de tre individerna var 2,01, 2,01 respektive 2,05 Gb (kompletterande tabeller 1-10 och kompletterande figurer 2 och 3). Den nuvarande sammansatta genomstorleken för den baktriska kamelen är identisk med den tidigare rapporterade storleken3. Längderna för contig N50 och scaffold N50 (tabell 1) var 24,9 kb och 8,7 Mb för den baktriska kamelen, 54,1 kb och 4,1 Mb för dromedaren och 66,3 kb och 5,1 Mb för alpacka. Jämfört med genomet hos den vilda baktriska kamelen3 har de nuvarande genomerna hos dessa tre kameldjur kortare N50-längder för contigs men större N50-längder för scaffolds. Kartläggning av bibliotek med en insättningsstorlek på 2 kb till scaffold visade att var och en av genomsekvenserna var av hög kvalitet (kompletterande figur 4 och kompletterande metoder), och transkriptomet för den baktriska kamelen visade också på en högkvalitativ sammansättning av genomet för den nuvarande och den vilda baktriska kamelen3 (kompletterande tabellerna 11 och 12). Kamelidernas genomer delade hög syntes med referensgenomerna för människor och nötkreatur (täckningsgrad >83 %) och en relativt låg genomisk omarrangemangshastighet inom Camelidae (kompletterande tabeller 13 och 14 samt kompletterande metoder). Den syntenitet mellan genomet hos den baktriska kamelen och genomet hos nötkreatur som observerades i den här studien är större än den som rapporterats tidigare3. Vår studie stöder uppfattningen att divergerande evolution inom Camelidae skedde genom mutationer i enstaka gener eller mindre kromosomala omarrangemang5. Vi uppskattade den segmentala dupliceringen hos dessa tre individer: den totala längden på den segmentala dupliceringen hos både den baktriska kamelen och dromedaren var 26 Mb, vilket är mindre än den hos alpacka (36 Mb) (kompletterande tabell 15). Den segmentala duplikationen bland dessa tre organismer är lägre än den som rapporterats hos nötkreatur (94,4 Mb)6.

Genomanotering av genomet

Med hjälp av en kombination av homologa sekvenssökningar och ab initio-genprediktioner annoterade vi 20 251, 20 714 och 20 864 gener i genomet hos den baktriska kamelen, dromedaren och alpacka, respektive (kompletterande figur 5 och kompletterande tabeller 16 och 17). Vi använde CEGMA-metoden7, som omfattar 458 eukaryotiska kärngener, för att bedöma genomernas och annotationernas fullständighet. Den stora majoriteten av dessa kärngener anpassades till kamelidernas genomer (99,12 % för baktriska kameler, 98,47 % för dromedariska kameler och 99,12 % för alpacka), och majoriteten fanns med i våra förutspådda genuppsättningar (97,82 % för baktriska kameler, 96,73 % för dromedariska kameler och 93,87 % för alpacka), vilket stödjer fullständigheten hos de sammansatta genomerna och identifieringen av genuppsättningar (tilläggstabellerna 18-20). Jämförande analyser av de tre genuppsättningarna för kamelider visade på en hög gensekvenslikhet (>90 %) men olika icke-synonyma/synonyma (Ka/Ks)-fördelningar (kompletterande figurer 6 och 7). Funktionella analyser av genuppsättningarna visade att >91 % av generna var funktionellt annoterade i varje genom (kompletterande tabeller 21-23).

Det upprepade sekvensinnehållet i kamelidernas genomer (30,4 % i baktriska kameler, 32.1 % i alpacka och 28,4 % i dromedar) var 10 % lägre än hos nötkreatur (42,5 %) och människor (46,1 %) på grund av det lilla antalet korta interspridda nukleotidelement i kamelidernas genomer (kompletterande tabeller 24-27). Innehållet av upprepade sekvenser i den baktriska kamelens genom liknade det som tidigare rapporterats3. Annotering av icke-kodande RNA-gener avslöjade liknande antal kopior för varje genom (baktrisk kamel=1 942; dromedar=2 209; alpacka=2 328; kompletterande tabeller 28-30). Vi identifierade 12 539 homologa genfamiljer som delas av fyra arter i ordningen Cetartiodactyla (baktrisk kamel, dromedar, alpacka och nötkreatur): 156, 153 och 296 genfamiljer var specifika för baktrisk kamel, dromedar och alpacka, respektive (figur 1).

Evolutionsanalys och fylogeni

Ett fylogenetiskt träd konstruerades som inkluderade kameliderna (baktrisk kamel, dromedar och alpacka) och sju andra arter (nötkreatur, häst, hund, panda, människa, mus och opossum). Trädet genererades med hjälp av PhyML8 baserat på fyrfaldigt degenererade kodonplatser som extraherats från 7 398 ortologiska gener med en enda kopia som identifierats av TreeFam9 (kompletterande tabell 31 och kompletterande figurer 8 och 9). Den uppskattade divergenstiden mellan kamelider och nötkreatur är 42,7 miljoner år sedan (Mya) (fig. 2 och kompletterande fig. 10). Detta resultat stämmer överens med den tidpunkt (45,9 Mya) då paleontologiska bevis tyder på att Camelidae-familjen först dök upp i Nordamerika10 , men står i kontrast till en tidigare uppskattning av tidpunkten för divergens mellan nötkreaturens och den baktriska kamelens linjer baserat på 332 ortologer (55-60 Mya)3 . Den uppskattade divergenstiden för alpackaens och de två kamelernas förfäder (16,3 Mya) stämmer överens med paleontologiska fynd, vilket tyder på att uppdelningen mellan Camelini och Lamini skedde i Nordamerika ~17 Mya (ref. 10). Divergenstiden mellan den baktriska kamelen och dromedaren är ~4,4 Mya, vilket innebär att de troligen divergerade efter att deras gemensamma förfader migrerade från Nordamerika till Eurasien via Berings Isthmus under den sena miocen (7,246-4,9 Mya)10,11. Vi analyserade de grenspecifika Ka/Ks-substitutionsförhållandena (ω) för dessa tio däggdjur med Kosiol et al.12:s metod: den baktriska kamelen och dromedaren hade högre ω-värden för grenen (kompletterande figur 11, kompletterande tabell 32 och kompletterande metoder). Denna snabbare evolution hos kameler väcker möjligheten av kamelspecifik evolution för att anpassa sig till en ökenmiljö.

Heterozygotfrekvenser och demografisk historia

SNPs identifierades med hjälp av SOAPsnp13. De uppskattade heterozygotfrekvenserna för genomet hos den baktriska kamelen, dromedaren och alpacka var 1,16 × 10-3, 0,74 × 10-3 respektive 2,66 × 10-3 (kompletterande tabeller 33-35). Den uppskattade heterozygotfrekvensen för den baktriska kamelen är jämförbar med den som rapporterats tidigare (1,0 × 10-3 och 1,29 × 10-3)3,4. De genomiska SNP-fördelningarna bland dessa däggdjur är olika (kompletterande figur 12).

Den demografiska historien för dessa kameldjur konstruerades baserat på SNP-data genom att tillämpa den parvisa sekventiellt markovianska koalescensmodellen (PSMC)14 (figur 3). Resultaten av vår analys visade att den baktriska kamelens förfader hade stabila populationsstorlekar efter två nedgångar som inträffade 3,69 och 2,61 Mya. Två nedgångar i populationsstorlek som inträffade 1,72 och 0,77 Mya beräknades för dromedarens förfader. Dessa uppskattade minskningar av populationsstorleken hos de båda arternas förfäder stämmer överens med övergångar mellan geologiska tidsåldrar, inklusive Zanclean och Piacenzian (3,60 Mya), Piacenzian och Gelasian (2,59 Mya), Gelasian och Calabrian (1,81 Mya) och Calabrian och Ionian (0,78 Mya)15 , vilket tyder på en trolig korrelation. Expansionen av dromedarpopulationen skedde dessutom mellan 1,25 och 0,77 Mya, vilket sammanfaller med den mellanpleistocena övergången från 1,25 till 0,70 Mya, en period av grundläggande förändringar i jordens klimatcykler16 som hade en djupgående effekt på biotaens utbredning och utveckling17. Detta tidsintervall sammanfaller också med den galeriska däggdjursåldern (1,2-0,60 Mya), som kännetecknades av en förnyelse av faunan som i vissa fall gav upphov till nya arter som var anpassade till torra, kalla klimat18. Viktigare är dock att detta tidsintervall också sammanfaller med den maximala mångfalden hos familjen Camelidae, som inträffade i början av galeriska19. Denna korrelation stöder en anpassning av dromedärens förfader till miljöförändringar och en expansion av dess population under övergången i mitten av pleistocen. Den senaste minskningen av populationen av den baktriska kamelens förfader inträffade för ~60 000 år sedan (Kya), vilket motsvarar spridningen av moderna människor från Afrika till Eurasien20, hemvist för den baktriska kamelen. Mänsklig verksamhet kan därför ha påverkat den senaste förfäderspopulationen av den baktriska kamelen.

Den effektiva populationsstorleken hos alpackaens förfader minskade gradvis mellan ~5.37 Mya, som ligger närmare tidsgränsen mellan Messinian- och Zanclean-stadiet (5,33 Mya)15, och 2,09 Mya, som ligger i Uquian-åldern (3 till 1,2 Mya), under vilken alpackaens förfader migrerade till Sydamerika genom Panamas landbro i det stora amerikanska biotiska utbytet21. Detta tyder på att migrationen kan ha bidragit till minskningen av populationsstorleken hos alpackaens förfader. Dess populationsstorlek expanderade sedan under pleistocen, följt av tre perioder med stora flaskhalsar före 501, 139 och 44 Kya. Populationen genomgick en stor expansion ~72 Kya och nådde en storlek på ~113 × 104 individer. Den senaste flaskhalsen (44 Kya) motsvarar den sista istiden (48-25 Kya), som var framskjuten i Sydamerika22 och resulterade i en dramatisk minskning av populationsstorleken till ~1,2 × 104 individer. Detta innebär att de kalla förhållandena i Sydamerika vid den tiden kan ha resulterat i en inskränkning av populationsstorleken hos alpackaens förfader mot slutet av pleistocen.

Genutveckling

Vi undersökte härnäst kamelidernas gener som ligger till grund för anpassning till miljön. Vi använde CAFÉ23 för att identifiera genfamiljer som har genomgått betydande expansion och kontraktion under evolutionen (fig. 2 och kompletterande metoder) och identifierade 373 expanderade och 853 kontraherade genfamiljer i dromedargenomet, 183 expanderade och 753 kontraherade genfamiljer i den baktriska kamelens genom och 501 expanderade och 2 189 kontraherade genfamiljer i alpacka-genomet. Många av de expanderade genfamiljerna i dessa tre kameldjur är betydligt berikade i kategorierna cellulär process, celldel, luktreceptoraktivitet, järn och immunrelaterade Gene Ontology (GO) (kompletterande figurer 13-15 och kompletterande tabeller 36-38). Vi identifierade 287 positivt selekterade gener (PSG) hos den baktriska kamelen (Supplementary Data 1), 324 PSG hos dromedaren (Supplementary Data 2) och 151 PSG som var gemensamma för båda genomerna, vilket tyder på liknande selektiva tryck. En bedömning av unika förändringar av aminosyrarester i ortologer som finns hos 23 arter identifierade 350 och 343 förändrade gener hos den baktriska kamelen respektive dromedaren. Flera överrepresenterade kategorier av gener med unika förändringar av aminosyrarester hos kameler var relaterade till katalytisk aktivitet, bindning av små molekyler och ATP-bindning (kompletterande figurer 16 och 17 samt kompletterande tabeller 39 och 40). Baserat på en analys av syntetblock identifierades 190 förvärvade gener hos den baktriska kamelen och 126 hos dromedaren. Dessa vunna gener är signifikant berikade i kategorierna lukt och immunrelaterade (kompletterande tabeller 41 och 42 samt kompletterande metoder).

Energi- och fettmetabolism

Då energi är viktigt för kameler som lever i öknar som är fattiga på mat, analyserades urvalet av gener som är involverade i energirelaterade processer. De genomövergripande anpassningsegenskaperna identifierades genom GO-kategorier med linjespecifik accelererad evolution (tilläggsdata 3-14). I motsats till nötkreatur omfattade de tre kamelidernas gemensamma snabbt utvecklande GO-kategorier cellulär respons på insulinstimulans (GO:0032869, P<0,001) och insulinreceptorns signalväg (GO:0008286, P<0,001) (tilläggsdata 4, 8 och 14). Dessutom identifierade vi ett antal kategorier som är förknippade med energi-, glukos- och fettmetabolism och som utvecklades snabbare hos dessa kamelider än hos nötkreatur. Några av de energirelaterade GO-kategorier som identifierades som utvecklades snabbare hos den baktriska kamelen än hos nötkreatur stämmer överens med dem som rapporterats tidigare3. Dessutom hade 13 gener som är involverade i mitokondriell funktion, β-oxidation och kolesterolsyntes och -transport förändringar av aminosyrarester som var unika för den baktriska kamelen och dromedaren. Flera gener (ACC2, DGKZ och GDPD4) som är involverade i fettmetabolismen genomgick en expansion i den baktriska kamelens genom, medan de expanderade genfamiljerna hos dromedaren var berikade i kategorin mitokondrier (GO:0005739, P=2,30 × 10-5) (Kompletterande tabell 37).

Det olika antalet pucklar hos dessa tre kameldjur kan återspegla deras olika förmågor inom fettmetabolismen. Funktionella kategorier associerade med ATP (GO:0006200, GO:0016887, GO:004262626, P<0,01), mitokondrier (GO:0005739, GO:0005759, P<0,01), lipidtransport (GO:0006869, PBactrian camel=5.33 × 10-5, Pdromedary=0,00016) och svar på insulinstimulans (GO:0032868, PBactrian camel=0,0005, Pdromedary=1,33 × 10-5) utvecklades snabbt hos båda kamelarterna jämfört med alpacka (kompletterande tabell 43). Kategorier som är förknippade med lipidmetabolism utvecklades snabbare hos den baktriska kamelen än hos dromedaren, till exempel lipidkatabolisk process (GO:0016042, P=0,0015) och fettcellsdifferentiering (GO:0045444, P=2,54 × 10-9) (Kompletterande tabell 44). Dessa gener kan öka kamelens energilagrings- och produktionskapacitet i öknen och kan också återspegla en skillnad i fettmetabolism som i sin tur är relaterad till antalet pucklar.

Stressrespons

För att undersöka anpassningar till torra och varma miljöer analyserade vi ytterligare gener som är involverade i stressrespons. Jämfört med nötkreatur var kategorier associerade med DNA-skador och reparation (GO:0006974, GO:0003684, GO:0006302, P<0,01), apoptos (GO:0006917, GO:0043066, P<0,01), proteinstabilisering (GO:0050821, PBactrian camel=0.00021, Pdromedary=3,44 × 10-19) och immunsvar (GO:0006955, GO:0051607, P<0,01) uppvisade accelererad utveckling hos båda kamelarterna (tilläggsdata 8 och 14). Jämfört med alpacka identifierades signifikanta funktionella kategorier för T-cellars samstimulering (GO:0031295, PBactrian camel=8,67 × 10-32, Pdromedary=9,33 × 10-9), oxidations-reduktionsprocesser (GO:0055114, PBactrian camel=4.88 × 10-15, Pdromedary=5,22 × 10-21) och oxidoreduktasaktivitet (GO:0016491, PBactrian camel=2,27 × 10-10, Pdromedary=7,23 × 10-7), som alla uppvisade en accelererad utveckling hos båda kameldjuren (tilläggsdata 6 och 12). Tre gener (ERP44, NFE2L2 och MGST2) var korrelerade med oxidativa stressreaktioner och uppvisade unika förändringar av aminosyrarester i båda kamelgenomerna. De utökade genfamiljerna hos dromedaren var berikade på cytokrom c-oxidasaktivitet (GO:0004129, P=5,80 × 10-10) och monooxygenasaktivitet (GO:0004497, P=1,32 × 10-5) (Kompletterande tabell 37). Dessa resultat ger belägg för att kameler har selekterats för att anpassa sig till de hårda torra förhållandena i ökenmiljön.

Anpassning av andningsorganen

En annan utmaning i ökenmiljön är luftburet damm, vilket kan leda till luftvägssjukdomar som astma. Tretton PSG i båda kamelerna, inklusive FOXP3, CX3CR1, CYSLTR2 och SEMA4A, var relaterade till luftvägssjukdomar hos människor. Vi fann också att GO-kategorin för lungutveckling (GO:0030324, PBactrian camel=3,26 × 10-5, Pdromedary=1,18 × 10-19) (Supplementary Data 6 och 12) utvecklades snabbt hos dromedar- och baktriska kameler jämfört med alpacka. Selektion av dessa gener ger ytterligare bevis för kamelernas anpassning för att uthärda utmaningarna i ökenmiljön.

Anpassning av det visuella systemet

Solstrålning är en annan aspekt av ökenmiljön. Långvarig exponering för ultraviolett strålning kan leda till ett antal oftalmiska tillstånd. Vi undersökte gener som kan vänja kamelers ögon vid den extrema solstrålningen i öknen och identifierade positivt urval vid generna OPN1SW, CX3CR1 och CNTFR, som är relaterade till fotoreception och visuellt skydd, hos båda kamelerna. Resultaten visade också att visuell perception (GO:0007601, PBactrian camel=0,0018, Pdromedary=2,49 × 10-14) utvecklades snabbt hos båda kamelerna jämfört med alpacka (kompletterande uppgifter 6 och 12). Dessa resultat tyder på en genetisk grund för kamelernas förmåga att uthärda långvarig exponering för ultraviolett ljus utan att skada det visuella systemet.

Saltmetabolism

Vi fokuserade sedan på kamelernas saltmetabolism genom att beakta saltets huvudeffekt på vattenbalansen. I motsats till en tidigare rapport om salttolerans3 visade våra resultat att kategorin natriumjontransport (GO:0006814, PBactrian camel=0,0014, Pdromedary=0,00012) utvecklades snabbare hos båda kamelerna än hos nötkreaturen (Supplementary Data 8 och 14). Kategorin som är associerad med det spänningsstyrda kaliumkanalkomplexet (GO:0008076, PBactrian camel=8,77 × 10-8, Pdromedary=2,68 × 10-10) utvecklades snabbt hos båda kamelerna jämfört med alpacka (tilläggsdata 6 och 12). Det är anmärkningsvärt att den baktriska kamelns genom innehåller två kopior av generna NR3C2 och IRS1, som båda spelar viktiga roller i natriumreabsorptionen och vattenbalansen i njurarna24,25,26 , medan andra däggdjur endast har en enda kopia av varje gen. Denna skillnad tyder på att kameler kan metabolisera och transportera salt mer effektivt än alpacka och nötkreatur, och att dessa vägar är viktiga för vattenreabsorptionen.

Differentiellt uttryckta gener och anrikningsanalys

För att få större insikt i egenskaperna hos anpassningen till den torra öknen sekvenserade vi de njurkortikala och medullära transkriptomerna hos en grupp baktriska kameler efter 24 dagars vattenrestriktiva (WR) förhållanden och hos en kontrollgrupp (CG) (Kompletterande tabell 45, och kompletterande data 15 och 16). Vi valde ut signifikant upp- eller nedreglerade gener i dessa vävnader (kompletterande figurer 18-21 och kompletterande metoder) och analyserade sedan de berikade GO-kategorierna för dessa gener (kompletterande figurer 22-25, kompletterande data 17-20 och kompletterande metoder). En överrepresentation av kategorier som är förknippade med metalljonbindning (GO:0046872, P=1,53 × 10-23) och reglering av kroppsvätskenivåer (GO:0050878, P=1,37 × 10-6) upptäcktes i uppsättningen uppreglerade njurkortikalgener (Supplementary Data 17). De GO-kategorier som är förknippade med glukosmetabolismen (GO:0006006, P=4,11 × 10-6), glukoneogenes (GO:0006094, P=0,0026), mitokondrion (GO:0005739, P=2,13 × 10-5), generering av prekursormetaboliter och energi (GO:0006091, P=0,0077), respons på näringsnivåer (GO:0031667, P=0,0064) och respons på stress (GO:0006950, P=0.0094) anrikades i uppsättningen uppreglerade njurmärgsgener (kompletterande data 19).

Natriumreabsorption

Gener som kodar för Na+/K+-ATPas och den epiteliala Na+-kanalen (ENaC), som reabsorberar natrium i njuren, uppreglerades i njurbarken och njurmärgen under WR-förhållanden (kompletterande tabeller 46 och 47). Den flexibla transkriptionen av ENaC:s underenheter i olika vävnader och under olika förhållanden tyder på att kamelen reglerar ENaC:s Na+-reabsorberande aktivitet för att klara av olika fysiologiska vattenbehov. Dessa resultat tyder på att regleringen av natriumreabsorptionen kan vara avgörande för kamelers överlevnad i en vattenfattig miljö.

Vattenreservation

Kamelen är känd för sin anpassning till långvarig vattenrestriktion. Vi undersökte därför mekanismen för vattenreservation genom att analysera transkriptionen av generna i akvaporinfamiljen, som är selektiva vattenkanaler med viktiga funktioner i vattenreabsorption och metabolism. AQP1, AQP2 och AQP3 var de tre gener som uttrycktes mest olika i njurbarken och njurmärgen under WR-förhållanden (kompletterande tabeller 48 och 49 samt kompletterande figur 26). Dessa gener kan göra det möjligt för kameler att återabsorbera vatten mer effektivt i en vattenfattig miljö. Vi upptäckte dock inte AQP4 mRNA i den baktriska kamelens njure, vilket stämmer överens med dess bristande uttryck hos ökengnagaren Dipodomys merriami merriami27 men i motsats till dess rikliga uttryck i människans njure28. Intressant nog observerades en unik förändring av aminosyrarester (R261C) i AQP4 i den baktriska kamelens genom (kompletterande figur 27). Dessa fynd kan tyda på en unik strategi för vattenreabsorption och metabolism i kamelens njure.

Osmoregulering

Då hypertonicitet är grunden för vattenbalans och reabsorption i njuren, analyserades uttrycket av gener som är involverade i osmoregulering i njurmärgen. Nuclear factor of activated T-cells 5 (NFAT5), den enda kända tonicitetsreglerade transkriptionsfaktorn hos däggdjur29 , uttrycktes med 3,66 % av kontrollnivån under WR-förhållanden (kompletterande tabell 50). Följaktligen uppvisade natrium/myo-inositol-kotransporter (SMIT), natrium- och kloridberoende taurintransportör (TauT) och natrium- och kloridberoende betaintransportör (BGT1) ett minskat uttryck under WR-förhållanden. Dessa tre transportörer som transaktiveras av NFAT5 transporterar kompatibla organiska osmolyter in i njurmedullära celler (RMC) som svar på hypertonicitet30 (fig. 4). Nedregleringen av NFAT5 och dess målgener under hypertonisk stress har inte observerats hos andra däggdjur29,31 , inklusive ökendjur som Spinifex hopping mouse (Notomys alexis)32 . Våra resultat tyder på att kameler kan förlita sig på andra osmoregulatoriska strategier för att skydda sig mot hypertonisk stress under långvarig vattenrestriktion.

Organiska osmolyter

Ackumuleringen av organiska osmolyter hjälper RMC att balansera det osmotiska trycket mellan den intracellulära och extracellulära miljön30. Nedregleringen av TauT, BGT1 och SMIT innebär att transporten av taurin, betain och myoinositol in i cellerna minskar. Anmärkningsvärt är att vi observerade transkriptionell uppreglering av aldosreduktas (AR) och nedreglering av sorbitoldeshydrogenas (SDH) i sorbitolvägen; vi observerade också transkriptionell uppreglering av neuropatimålesteras (NTE) och stabil transkription av glycerofosfodiesterfosfodiesterasdomäninnehållande protein 5 (GDPD5) i glycerofosfoskolin (GPC)-vägen (fig. 4 och kompletterande tabell 50). Uttrycksmönstren för dessa gener tyder på att sorbitol och GPC kan ackumuleras i kamelen under WR-förhållanden och att osmolyter huvudsakligen kan produceras av RMC:erna själva. Sorbitol kan fungera som en energikälla33 och bidra till att balansera osmolaliteten av högt extracellulärt NaCl34; energikostnaden för ackumulationen av GPC som svar på högt NaCl eller urea i njurmärgen30 kan vara mindre än den för att transportera betain in i cellerna mot en hög koncentrationsgradient30. Dessa variationer i uttrycket av osmolytrelaterade gener tyder således på att två osmolyter snarare än fem huvudsakligen används som svar på hypertonicitet som en del av en modell med låg energikonsumtion för kamelers överlevnad i den näringsfattiga öknen.

Viktigt nog observerade vi att uttrycksnivåerna för GLUT1 (glukostransportör 1) och gener som är involverade i glykolysen var kraftigt förhöjda i njurmärgen under WR-förhållanden (kompletterande tabell 51). Tillsammans med en tidigare rapport om att uttrycksnivån för GLUT1 induceras av osmotisk och metabolisk stress35 tyder våra resultat på att det ökade glukosintaget inte bara säkerställer en tillräcklig glukoskoncentration för syntesen av sorbitol utan också ger den energi som krävs för det uppreglerade Na/K-ATPaset för att bibehålla den interna jongradienten för anpassad hypertonicitet (fig. 4). Sammantaget tyder våra observationer på att den karakteristiska höga blodglukoshalten (6-8 mmol l-1)36,37 hos kameler kan vara en adaptiv evolutionär strategi för osmoreglering och vattenreabsorption av RMCs under antidiuresis.

Osmoprotektion

Med tanke på potentialen för hyperosmotiska skador på celler30 analyserade vi uttrycket av gener relaterade till cellskydd och fann att uttrycksnivåerna för 25 gener som kodar för antioxidanter och relaterade enzymer (kompletterande tabell 52) var högre i njurmärgen under WR-förhållanden. Gener som kodar för antioxidativa transkriptionsfaktorer, inklusive Nrf2, värmeschockfaktor-1, aktivatorprotein-1-komplexet, p53, nukleär faktor-κB och signaltransducer och aktivator av transkription 4 uppvisade också ett förhöjt uttryck i WR-njurmärgen. Dessutom identifierade vi 14 värmeschockgener, som bidrar till att eliminera felveckade proteiner under hyperosmolalitet30, som var uppreglerade i WR-njurmärgen (kompletterande tabell 52). Genen clusterin, en cytoprotektiv chaperon, ökade dramatiskt med ~8,9 gånger och hade den högsta transkriptionsnivån i WR-njurmärgen (reads per kilobas per miljon kartlagda reads=27 069). Tidigare studier har visat att clusterin induceras av glukos38 och förknippas med olika patologiska tillstånd, inklusive diabetes39 och njurskador40. Identifieringen av clusterin som en PSG hos dromedaren tyder på att denna gen kan spela en viktig roll i cytoprotektionen av kamelens njurmedulla under vattenrestriktion och att den höga blodglukosnivån hos kameler kan fylla en funktion under osmoprotektion. Sammantaget tyder uppregleringen av osmoprotektiva gener på att kameler har en sofistikerad osmoprotektiv förmåga under WR-förhållanden.