Биологи из Китая, Дании и Норвегии выявили около пятисот генов, которые позволяют жирафам решать физиологические проблемы, связанные с высоким ростом.
Оказалось, что наиболее сильному отбору подвергся ген FGFRL1: эксперименты с мышами показали, что семь мутаций в нем обеспечивают защиту от гипертонии и связанных с ней повреждений внутренних органов, а также повышают прочность костей. Кроме того, изменения в других генах позволяют жирафам меньше спать и лучше видеть, а вот от хорошего обоняния этим травоядным пришлось отказаться. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Science Advances.
Жирафы (Giraffa camelopardalis) — самые высокие современные животные. Выдающийся рост дает им доступ к пищевым ресурсам, которые недоступны для других травоядных, а также обеспечивает отличный обзор и возможность издалека заметить хищника. Однако в то же время столь высоким животным приходится сталкиваться с рядом проблем на физиологическом уровне. Например, чтобы снабжать кровью мозг жирафа, его сердцу приходится поддерживать в два раза большее артериальное давление, чем у других млекопитающих. В результате стенки сердца и артерий у этих травоядных стали более толстыми. Кроме того, система кровообращения жирафов ограничивает резкие скачки давления при подъеме и опускании головы.
Команда специалистов во главе с Цяном Цю (Qiang Qiu) из Северо-западного политехнического университета в Сиане решила выяснить, какие генетические особенности отвечают за адаптации жирафов к высокому росту. Исследователи взяли образцы крови жирафа Ротшильда (G. c. rothschildi) из зоопарка Гуанчжоу, выделили из них ДНК и секвенировали геном. Полученные данные сравнили с информацией о геномах окапи (Okapia johnstoni), представителей семейства полорогих (Bovidae) и китов.
Оказалось, что у жирафов намного меньше хромосом, чем у полорогих: 30 против 58-60. Согласно анализу Цю и его коллег, у полорогих количество хромосом осталось примерно таким же, как у общего предка высших жвачных (Pecora). В то же время в эволюционной линии, ведущей к жирафам, произошло как минимум четыре разделения и семнадцать слияний хромосом. Специалистам только предстоит выяснить, имеют ли эти изменения какое-либо адаптивное значение.
Сопоставив геном жирафа с другими млекопитающими, Цю с соавторами обнаружили 101 ген, находящийся под сильным давлением отбора, и 359 быстро эволюционирующих генов. Они связаны с ростом, развитием, работой нервной и зрительной систем, а также регуляцией артериального давления и циркадными ритмами. Дополнительный анализ показал, что от ближайших ныне живущих родственников, короткошеих и относительно невысоких окапи, жирафов отличают гены, связанные с обменом веществ и работой сердечно-сосудистых и иммунных систем.
Предыдущие исследования показали, что одним из генов, которые у жирафов находятся под наибольшим давлением влиянием отбора, является ген FGFRL1. Он кодирует производство рецептор фактора роста фибробластов-подобного белка 1. У жирафов в ключевом домене данного гена есть семь несинонимичных замен, которые не встречаются у других млекопитающих. Цю и его коллеги подтвердили, что FGFRL1 содержит больше уникальных мутаций, чем какой-либо другой ген жирафа.
Исследователи предположили, что мутации в FGFRL1 жирафов связаны с работой сердечно-сосудистой системы (в частности, защитой органов от высокого давления) и формированием скелета. Чтобы проверить эту идею, они с помощью генного редактирования внесли аналогичные мутации в соответствующий ген лабораторных мышей. Затем отредактированным мышам и мышам дикого типа в течение 28 дней вводили ангиотензин II, который повышает давление за счет сужения сосудов и увеличения задержки натрия в организме. В результате у грызунов из контрольной группы развилась гипертония: их артериальное давление повысилось до примерно 160 на 95 миллиметров ртутного столба. А вот у их сородичей с геном жирафа давление осталось таким же, как до введения ангиотензина — около 125 на 80 миллиметров ртутного столба.
Более того, у отредактированных мышей по сравнению с диким типом наблюдалось значительно меньше признаков фиброза сердца и почек. Функции сердца у них также не нарушались. Таким образом, характерные для жирафов мутации в гене FGFRL1 действительно обеспечивают защиту от гипертонии и ее негативных последствий. Цю и его коллеги предполагают, что данный ген может стать мишенью для лечения и профилактики гипертонии у людей — однако пока это исключительно теоретическая возможность.
Вопреки ранним предположениям, мутации в FGFRL1 не привели к формированию у отредактированных мышей длинной шеи. Хотя сразу после рождения мышата с геном жирафа отличались от сородичей меньшим размером тела и рядом особенностей развития костей, у взрослых мышей из контрольной и экспериментальной групп скелеты выглядели примерно одинаково. При этом микрокомпьютерная томография показала, что кости у грызунов с генами жирафов отличаются более высокой минеральной плотностью. Также у них было повышено соотношение объема скелета к объему тела, а трабекулы в позвонках и дистальных отделах бедренных костей оказались более толстыми. Возможно, эти особенности позволяют жирафам быстро расти, не жертвуя прочностью скелета (обычно плотность костей отрицательно коррелирует со скоростью роста).
Помимо FGFRL1, авторы выявили еще ряд генов, обеспечивающих нормальную работу сердечно-сосудистой системы жирафов. Среди них гены, которые регулируют активацию тромбоцитов и сердечные сокращения, а также помогают защитить сосуды и почки от повреждений из-за высокого артериального давления.
Исследование также показало, что к высокому росту адаптировались не только сердечно-сосудистая система и скелет жирафов, но и их органы чувств. Например, некоторые гены, связанные со зрением, слухом и равновесием этих травоядных находятся под влиянием сильного отбора. При этом Цю удалось обнаружить всего два гена опсинов — это свидетельствует, что у жирафов не развито полноценное цветное зрение.
Интересно, что обоняние у жирафов, судя по всему, сильно деградировало. Например, по сравнению с окапи они потеряли по крайней мере 53 гена, связанных с восприятием запахов, 50 из которых кодируют обонятельные рецепторы. По мнению исследователей, это может указывать на существование компромисса между обонянием и зрением — и жирафы в данном случае выбрали развитое зрение. Похожие изменения характерны для геномов многих древесных видов млекопитающих, например, приматов.
Высокий рост делает жирафов очень уязвимыми во время сна и пробуждения, поэтому они спят намного меньше, чем другие животные. Цю удалось обнаружить, что у этих травоядных быстро эволюционировали по крайней мере три гена, связанных с циркадными ритмами: PER1, PER2 и HCRT. Вместе они позволяют жирафам спать урывками, снижая их риск стать жертвой хищников.
Хотя подавляющее большинство жирафов отличаются высоким ростом, среди них порой встречаются и карлики. Недавно ученые встретили в Уганде и Намибии двух молодых самцов с сильно укороченными ногами (у одного из них также была короткая шея). Необычная анатомия, скорее всего, вызвана дисплазией скелета, которая нередко встречается у животных в неволе, а вот в дикой природе — редко.
Автор: Сергей Коленов