Послідовність геному жирафа відкриває підказки про його унікальну морфологію та фізіологію Nature Communications

Предмети

Анотація

Невідоме походження імпозантного росту жирафа та пов'язаних із цим серцево-судинних адаптацій. Окапі, якому не вистачає цих унікальних особливостей, є найближчим родичем жирафа і забезпечує корисне порівняння для виявлення генетичних змін, що лежать в основі довгою шиї та серцево-судинної системи жирафа. Геноми жирафа та окапі були послідовно розподілені, і шляхом порівняльного аналізу були виявлені гени та шляхи, які демонструють унікальні генетичні зміни та, ймовірно, сприяють унікальним особливостям жирафа. Деякі з цих генів знаходяться в сигнальних шляхах HOX, NOTCH та FGF, які регулюють розвиток скелета та серцево-судинної системи, що дозволяє припустити, що ріст жирафа та серцево-судинні адаптації еволюціонували паралельно через зміни в невеликій кількості генів. Гени метаболізму мітохондрій та летючих жирних кислот також еволюційно розходяться у жирафа і можуть бути пов'язані з його незвичним харчуванням, яке включає токсичні рослини. Несподівано відбулися суттєві еволюційні зміни у жирафа та окапі у відновленні дволанцюгових розривів та функціях центросом.

Вступ

Окапі (Okapia johnstoni), найближчий родич жирафа і єдиний інший член, що дійшов до нас Жирафи сім'я, надає корисне порівняння, оскільки воно не поділяє цих унікальних атрибутів, що спостерігаються у жирафа 13. Виявлено дев’ять підвидів жирафа, які можна відрізнити за кольором і малюнком шерсті, і репродуктивно були виділені до 2 міль (посилання 14, 15). Два підвиди жирафів майже вимерли, і загалом кількість жирафів зменшилась на 40% з 2000 року через браконьєрство та втрату середовища проживання 16. Оскільки всі підвиди жирафів мають унікальну анатомо-фізіологічну адаптацію роду жирафів, вони забезпечують важливу перехресну перевірку унікальних закономірностей генетичних варіацій.

Тут ми здійснили секвенування геномів масаїського жирафа та окапі, а шляхом порівняльного аналізу з іншими ссавцями евтерій було виявлено 70 генів, які виявляють множинні ознаки адаптації (MSA) у жирафа. Деякі з цих генів кодують добре відомі регулятори розвитку скелета, серцево-судинної та нервової системи, і, ймовірно, сприятимуть унікальним характеристикам жирафа.

Результати

Секвенування геному та de novo складання

Порівняльний аналіз геному

Щоб виявити зміни, які потенційно лежать в основі цих унікальних морфологічних та фізіологічних адаптацій, ми проаналізували кодуючі послідовності ортологічних генів у жирафа, окапі та великої рогатої худоби. Гени жирафа та окапі в цілому дуже схожі - 19,4% білків однакові (рис. 1). Гени жирафа та окапі однаково віддалено пов'язані з великою рогатою худобою, що припускає, що унікальні характеристики жирафа не зумовлені загальним швидшим темпом еволюції. Розбіжність жирафа та окапі, заснована на відносній швидкості заміщення синонімів, від загального предка, за оцінками, становить 11,5 мільйона (рис. 1), що значно менше, ніж попередня оцінка у 16 мільйонів (посилання 19, 20), яка була на основі порівняння послідовностей мітохондріальних ДНК.

Використовуючи середні парні синонімічні розбіжності заміщення (dS) між жирафом, окапі та великою рогатою худобою, відкалібровані загальним предком пекорана (27,6 мільйона), оцінка дивергенції жирафа та окапі від загального предка становить 11,5 міль. Зображення Окапі, адаптоване за фотографією Рауля654.

Адаптивна еволюція жирафа

Було виявлено сімдесят генів, які демонстрували MSA на основі розбіжності амінокислотних послідовностей, оцінених шляхом приєднання сусіднього філогенетичного аналізу ортологічних білків ссавців, збагачення несинонімічних замін, унікальних амінокислотних замін на місцях, які інакше фіксуються у ссавців, замін, які, як передбачається, можуть спричинити функціональні зміни Polyphen2 аналіз та заміни при позитивному відборі. Кластерний аналіз проводили на наборі 70 генів MSA жирафа на основі біологічного процесу GO з використанням Cytoscape 3.0 (посилання 68).

Еволюція регуляторів скелетного росту та диференціації

Giraffe FOLR1 демонструє надзвичайно вагомі докази адаптивної еволюції, включаючи шість позитивно відібраних амінокислотних замін, два з яких, як передбачається, спричинять значну зміну функції (Рис. 3b). FOLR1 мутації є ембріонально летальними у мишей 28 і викликають гіпомієлінізацію та неврологічні дефекти у людей 29. На додаток до своєї ролі у клітинному переносі фолатів, FOLR1 інтерналізується, переробляється та транспортується до ядра, де він регулює компоненти FGF та NOTCH-шляхів 30. Ці зміни в жирафі FOLR1 можуть діяти спільно з подібними змінами в FGFRL1 і JAG1, компоненти FGF та NOTCH, відповідно, для формування основних адаптацій розвитку.

Еволюція серцево-судинних та метаболічних генів

Серцево-судинна система жирафа пристосована для регулювання артеріального тиску на висоті 6 м та для підтримки серцево-судинного гомеостазу, пов'язаного зі швидкими змінами відносного положення мозку до серця. Артеріальний тиск жирафа в 2,5 рази вище, ніж у людини, лівий шлуночок серця збільшений, а стінки судин нижніх кінцівок сильно потовщені 1,31. Жираф демонструє докази адаптивного розвитку восьми генів, які регулюють кров'яний тиск або серцево-судинну функцію, включаючи два основних адренергічні рецептори α1 і β-2, уротензин-2b та ангіотензинперетворюючий фермент (Додаткова таблиця 4). BORG1 та RCAN3, які сильно експресуються в серці та мають важливу функцію, пов'язану з формою клітин та скороченням серцевого м'яза, відповідно, також істотно розходяться у жирафа 32,33. Спостережувані відмінні зміни в цих генах можуть дати підказки щодо еволюційного походження високого кров'яного тиску жирафа, збільшення серцевого викиду та модифікованої судинної системи.