Генетика адаптации к высокому росту у жирафа

Международная группа ученых собрала геном жирафа Ротшильда (Giraffa camelopardalis rothschildi) и установила функцию одного из генов, который позволяет жирафу приспособиться к высокому росту.

Геном самца жирафа секвенировали на платформах Oxford Nanopore и Illumina HiSeq 2000. Получили 2,44 гигабайта информации; около 97,95% оснований распределили по 15 хромосомам (2n = 30). У жирафа намного меньше хромосом, чем у гипотетического предка парнокопытных (2n = 58–60), так что предположительно в ходе эволюции геном жирафа претерпел множественные хромосомные слияния.

При анализе генома выявили 101 ген, который подвергся положительному отбору, и 359 быстро эволюционирующих генов. Из них 460 регулируют рост и развитие, нервную систему и зрение, циркадные ритмы и кровяное давление.

Ученые сосредоточили свои усилия на гене FGFRL1 (fibroblast growth factor receptor-like protein 1). Мутации в нем у человека или мыши приводят к кардиоваскулярным и скелетным дефектам. У жирафа же присутствует уникальный кластер из семи несинонимичных мутаций в связывающем домене факторов роста фибробластов. Эти мутации с помощью системы CRISPR-Cas9 внесли в ген FGFRL1 мыши. Трансгенные мыши жили и размножались нормально.

Кровяное давление жирафа в два раза выше, чем у человека и других животных сопоставимого размера, при этом отсутствуют соответствующие повышенному давлению повреждения органов. Ученые предположили, что ген FGFRL1 играет роль в этой адаптации. Для проверки гипотезы трансгенным мышам с «жирафьим» геном FGFRL1 и мышам дикого типа давали препарат, повышающий давление (ангиотензин II). У генетически модифицированных мышей давление было выше, чем у мышей без препарата, но незначительно. У них также отсутствовали признаки гипертензии, а органы были в значительно лучшем состоянии, чем у мышей дикого типа, у которых, напротив, давление было сильно повышено.

При рождении у трансгенных мышей отмечали пренатальную гипоплазию элементов скелета. Взрослые мыши не отличались от мышей дикого типа по строению. Изменения одного гена FGFRL1, видимо, недостаточно для удлинения шеи. Однако у таких мышей была повышена плотность костей, несмотря на ускоренный рост.

Специфичные для жирафов изменения отметили и в других кардиоваскулярных генах, например, генах активации тромбоцитов (COL1A2, LYN, PLCB1, PIP4K2A, ISYNA1, MTMR3, CDS1 и INPP1) или ионного транспорта (SCN7A, SLC9A1, ATP1A4 и CACNA2D4). Адаптация также затронула адренорецепторы (ADRA1A и ADRA2B) и гены, защищающие от гипертензии (ANGPTL1 и TGFB1).

Однако изменениям подверглись не только кардиоваскулярная, но и сенсорные системы. Жирафы могут стать добычей хищников, а значит, бдительность для них жизненно важна. У жирафов хорошее зрение, и видят они далеко, так что неудивительно, что адаптация затронула некоторые гены, связанные с развитием глаз и зрением (DH23, PCDH15, USH2A, NINL и UBR3). Подтвердить, что жираф различает цвета, не удалось. Однако удалось показать, что способность ощущать запахи у них менее развита. У жирафа на 53 гена, связанных с обонянием, меньше, чем у окапи.

Жираф не может быстро встать и убежать при приближении хищника. Соответственно, ему требуется намного меньше сна, чем родственным видам. Процесс адаптации сопровождался изменениями в генах поддержания циркадных ритмов PER1 и PER2 и в гене HCRT, который регулирует сон и пробуждение. Периоды сна у жирафа короткие и более фрагментированные. Таким образом, уникальное строение жирафа привело к адаптации поведения.

Адаптации к строению тела у жирафа разнообразны и требуют дальнейшего изучения. Авторы надеются, что исследование механизмов приспособления кардиоваскулярной системы жирафа к высокому росту поможет людям с высоким давлением и проблемами с сердцем.