Ученые из Массачусетского университета в Амхерсте, Университета Вандербильта и Университета Кларка пролили новый свет на геномную основу экологической адаптации белого медведя, выявив быстрые изменения в количестве копий гена медведя в ответ на отказ от растительности в рационе. к мясу.
В статье, опубликованной в понедельник, 17 июня, в Proceedings of the National Academy of Sciences и выбранной для обложки PNAS Vol.116, выпуск 27, Джон Г. Гиббонс и доктор философии. студент Шу Чжао из Массачусетского университета в Амхерсте, Дэвид К. Ринкер из Вандербильта и Наталья К. Специан из Кларка обсуждают первое исследование на уровне популяции, направленное на характеристику полногеномных моделей вариации числа копий (CNV) у белого и бурого медведя.
CNV относится к различиям между особями в количестве копий определенной части генома, и результаты исследования показывают, что эти различия сыграли важную роль в адаптации белых медведей к Арктике.
«Это исследование посвящено общему эволюционному вопросу о том, как диета формирует геном», - объясняет Гиббонс, доцент кафедры пищевой науки.
С тех пор как бурый медведь или гризли (Ursus arctos) и белый медведь (Ursus maritimus) разошлись менее 500 000 лет назад, у белого медведя развились уникальные черты для адаптации к арктическому климату и экологии, такие как камуфлирующая шубка из беспигментного меха. Предыдущие популяционные геномные исследования белых медведей и бурых медведей анализировали однонуклеотидные полиморфизмы или изменения в одной паре оснований в последовательности ДНК.
«Традиционно CNV было труднее обнаружить, поэтому их не всегда анализировали», - говорит Гиббонс. «Благодаря недавним достижениям в области технологий секвенирования ДНК за последние 15 лет или около того были разработаны вычислительные подходы для обнаружения и количественной оценки CNV из геномных данных. Данные о белых медведях дали нам прекрасную возможность заполнить пробел».
Используя доступные необработанные данные о последовательностях ДНК всего генома, группа исследователей сравнила различия в количестве копий генов у 17 белых медведей, девяти бурых медведей и двух черных медведей. «Белые медведи и бурые медведи являются отличными моделями для изучения влияния естественного отбора на CNV, - пишут исследователи, - потому что они населяют совершенно разные места обитания, но настолько недавно дивергировались, что по-прежнему способны производить фертильных гибридов».
Гиббонс говорит, что он и его коллеги надеялись увидеть различия в количестве копий генов, связанные с диетой медведей, и они это сделали. Бурые медведи всеядны, питаются в основном растительностью, в то время как белые медведи быстро перешли на полностью плотоядную диету, поедая тюленей и других животных.
«Это был тестовый пример для понимания влияния различий в питании на вариации числа копий», - говорит Гиббонс. «Если бы мы не видели этого здесь, мы могли бы не увидеть его нигде. Это было довольно широко распространено и довольно убедительно».
Гиббонс указывает на два интересных открытия. Из генов, аннотированных как обонятельные рецепторы, 88% имели меньше копий у белых медведей по сравнению с бурыми медведями и черными медведями. Он объясняет: «Во-первых, в Арктике меньше пахнет. Белым медведям в основном приходится концентрироваться на двух вещах - тюленях и самцах. Они не ищут ягоды, травы, травы, корни и луковицы, как бурые медведь."
У белых медведей также было обнаружено меньше копий гена AMY1B, чем у бурых медведей. AMY1B кодирует слюнную амилазу, фермент, который запускает переваривание крахмала, когда животные пережевывают растительную пищу. «Население с высоким содержанием крахмала имеет в своем геноме больше копий этого гена, чем население с низким содержанием крахмала», - говорит Гиббонс.«То же самое мы обнаружили и у медведей. Если подумать об их рационе, это имеет смысл».
Новое исследование пришло к выводу, что анализ вариантов числа копий является важным инструментом при изучении эволюционных изменений, вызванных естественным отбором.
«Эволюция воздействует на различные типы генетических вариантов, чтобы сделать одно и то же», - говорит Гиббонс. «Теперь, когда у нас есть технология для обнаружения CNV, все согласны с тем, что этот тип мутации следует исследовать вместе с традиционными методами обнаружения частей генома, сформированных в результате естественного отбора».
Гиббонс планирует продолжить исследование генома белого медведя исследованием другого вида: Homo sapiens. «Наш следующий шаг - изучить две разные популяции людей, чтобы посмотреть, увидим ли мы похожие различия в вариантах числа копий».