Secvența genomului girafelor dezvăluie indicii despre morfologia și fiziologia sa unică în comunicarea naturii

Subiecte

Abstract

Originile staturii impunătoare ale girafei și adaptările cardiovasculare asociate sunt necunoscute. Okapi, care nu are aceste caracteristici unice, este cea mai apropiată rudă a girafei și oferă o comparație utilă, pentru a identifica variația genetică care stă la baza gâtului lung și a sistemului cardiovascular al girafei. Genomurile girafei și okapi au fost secvențiate și, prin analize comparative ale genelor și căilor, au fost identificate care prezintă modificări genetice unice și care probabil contribuie la trăsăturile unice ale girafei. Unele dintre aceste gene se află în căile de semnalizare HOX, NOTCH și FGF, care reglează atât dezvoltarea scheletală, cât și cea cardiovasculară, sugerând că statura girafei și adaptările cardiovasculare au evoluat în paralel prin modificări într-un număr mic de gene. Metabolismul mitocondrial și genele de transport ale acizilor grași volatili sunt, de asemenea, divergenți evolutiv în girafă și pot fi legate de dieta sa neobișnuită, care include plante toxice. În mod neașteptat, s-au produs modificări evolutive substanțiale la girafă și okapi în repararea pauzelor cu două fire și funcțiile centrosomului.

Introducere

Okapi (COM)Okapia johnstoni), ruda cea mai apropiată a girafei și singurul alt membru existent al Giraffidae familie, oferă o comparație utilă, deoarece nu împărtășește aceste atribute unice văzute în girafa 13. Au fost identificate nouă subspecii de girafă care se pot distinge prin culoarea și modelul stratului și au fost izolate reproductiv atâta timp cât 2 mya (ref. 14, 15). Două subspecii de girafe sunt aproape dispărute și, în general, numărul girafelor a scăzut cu 40% din 2000, din cauza braconajului și a pierderii habitatului 16. Deoarece toate subspeciile girafelor împărtășesc adaptarea anatomică și fiziologică unică a genului girafelor, acestea oferă o verificare încrucișată importantă pentru modele unice de variație genetică.

Aici am secvențiat genomul girafei Masai și al okapi și, prin analiza comparativă cu alte mamifere euteriene, au fost identificate 70 de gene care prezintă semne multiple de adaptare (MSA) la girafă. Mai multe dintre aceste gene codifică regulatori binecunoscuți ai dezvoltării scheletice, cardiovasculare și neuronale și sunt susceptibili de a contribui la caracteristicile unice ale girafei.

Rezultate

Secvențierea genomului și de novo asamblare

Analiza comparativă a genomului

Pentru a identifica modificările care pot sta la baza acestor adaptări morfologice și fiziologice unice, am analizat secvențele de codificare ale genelor ortoloage la girafă, okapi și bovine. Genele girafă și okapi sunt foarte asemănătoare în general, 19,4% dintre proteine fiind identice (Fig. 1). Genele girafei și okapi sunt la fel de îndepărtate de bovine, ceea ce sugerează că caracteristicile unice ale girafei nu se datorează unei rate de evoluție mai rapide. Divergența de girafă și okapi, bazată pe ratele relative de substituții sinonime, de la un strămoș comun este estimată la 11,5 mya (Fig. 1), substanțial mai mică decât estimarea anterioară de 16 mya (ref. 19, 20), care a fost pe baza comparațiilor secvenței ADN mitocondriale.

Utilizând estimările medii de divergență de substituție sinonimă pereche (dS) între girafă, okapi și bovine, calibrate de strămoșul comun pecoran (27,6 mya), divergența girafei și okapi de la un strămoș comun este estimată la 11,5 mya. Imagine Okapi adaptată dintr-o fotografie de Raul654.

Evoluția adaptativă a girafei

Au fost identificate șaptezeci de gene care au prezentat MSA bazate pe divergența secvenței de aminoacizi, evaluată prin analiza filogenetică a vecinilor de proteine ortoloage de mamifere, îmbogățirea substituțiilor nesinonime, substituții unice de aminoacizi la locurile altfel fixate la mamifere, substituții prevăzute pentru a provoca modificări funcționale prin Polifen2 analiză și substituții sub selecție pozitivă. Analiza cluster a fost efectuată pe setul de 70 de gene MSA girafe pe baza procesului biologic GO folosind Cytoscape 3.0 (ref. 68).

Evoluția regulatorilor de creștere și diferențiere a scheletului

Giraffe FOLR1 prezintă dovezi excepțional de puternice pentru evoluția adaptivă, incluzând șase substituții ale aminoacizilor selectate pozitiv, dintre care două se prevede că vor provoca o schimbare semnificativă a funcției (Fig. 3b). FOLR1 mutațiile sunt letale embrionare la șoareci 28 și produc hipomielinizare și defecte neurologice la om 29. În plus față de rolul său în transportul folatului celular, FOLR1 este interiorizat, prelucrat și transportat la nucleu unde reglează componentele căilor FGF și NOTCH 30. Aceste modificări ale girafei FOLR1 pot acționa împreună cu modificări similare în FGFRL1 și JAG1, componentele căilor FGF și, respectiv, NOTCH, pentru a forja adaptări majore de dezvoltare.

Evoluția genelor cardiovasculare și metabolice

Sistemul cardiovascular girafă este adaptat pentru a regla tensiunea arterială la o înălțime de 6 m și pentru a menține homeostazia cardiovasculară asociată cu schimbări rapide în poziția relativă a creierului față de inimă. Tensiunea arterială a girafei este cu 2,5 × mai mare decât cea a omului, ventriculul stâng al inimii este mărit, iar pereții vaselor de sânge ale extremităților inferioare sunt foarte îngroșați 1,31. Girafa prezintă dovezi ale evoluției adaptive a opt gene care reglează tensiunea arterială sau funcția cardiovasculară, inclusiv doi dintre principalii receptori adrenergici α1 și β-2, urotensina-2b și enzima de conversie a angiotensinei (Tabelul suplimentar 4). BORG1 și RCAN3, care sunt extrem de exprimate în inimă și se presupune că au funcții importante legate de forma celulară și, respectiv, contracția mușchilor cardiaci, sunt, de asemenea, semnificativ divergente în girafa 32,33. Modificările distinctive observate în aceste gene pot oferi indicii cu privire la originile evolutive ale tensiunii arteriale crescute ale girafei, creșterii debitului cardiac și vasculaturii modificate.