Среди высокогорных лугов и пастбищ Эфиопского нагорья стоит один примат, гелада - обезьяна с «кровоточащим сердцем», названная в честь ее ярко-красной груди. Гелады - последние в своем роде, они пережили своих вымерших родственников, ведя необычный образ жизни. В отличие от своих собратьев-обезьян, обитающих в лесах и саваннах, гелады вырезали для себя высокогорную нишу, довольствуясь горными травами для пропитания.
Помимо своих искусных альпинистских навыков, гелад обычно можно встретить стадами, цепляющимися за скалы по утрам и отдыхающими на своих подушкообразных крупах, которые идеально подходят для сидения и пастбища в течение всего дня.
Что делает их уникально приспособленными к процветанию в разреженном воздухе плато, на высоте 6 000-14 000 футов над уровнем моря по сравнению с их двоюродными братьями-бабуинами? И могут ли эти особенности иметь значение для адаптации человека?
«Жизнь на большой высоте очень трудна. Воздух холоднее и содержит меньше кислорода», - сказал Снайдер-Маклер. «Наша команда изучала гелад, живущих в таких экстремальных условиях, более десяти лет, поэтому мы из первых рук понимаем, насколько сложной может быть жизнь на таких высотах в течение длительных периодов времени. Однако гелады выживают гораздо дольше, что заставляет нас задуматься. как именно они изменили свою биологию, чтобы приспособиться к сложной среде».
Чтобы раскрыть молекулярные ключи к высотной адаптации, профессор Школы наук о жизни АГУ Ной Снайдер-Маклер и исследователь с докторской степенью Кеннет Чиоу возглавили группу, которая сначала собрала и секвенировала геном гелады.
"Мы были заинтересованы в изучении приспособления гелад к высокогорью, потому что, в отличие от любой другой человеческой популяции, гелады постоянно жили на большой высоте в течение сотен тысяч лет, что дало нам представление о том, как приматы справляются с экстремальными условиями на протяжении " Так как гелады тесно связаны с нами и во многом схожи с нашей биологией, мы надеемся, что больше информации о геладах поможет понять методы лечения болезней и расстройств, связанных с большой высотой, включая горную болезнь и опасный отек мозга и легкие», - сказал Кеннет Чиоу, который вместе с коллегами прочесывал континент, чтобы скоординировать доступ к диким геладам, и помогал руководить исследованием.
Они составили первый эталонный геном гелады, собранный из одной дикой взрослой самки гелады из гор Симиен, Эфиопия, и объединили его с подробным изучением данных, собранных у диких гелад, чтобы выявить любые приспособления к их высокой высота над уровнем моря.
В пустоту
В геноме гелады наиболее очевидным местом для начала было изучение гемоглобинов - белков, которые объединяются в группу из 4, подобно волшебному четырехлистному клеверу, в качестве ключевой переносящей кислород молекулы, обнаруженной в крови.
«Многие животные, которые адаптировались к большой высоте, развили гемоглобин, который может более эффективно связывать кислород, что может повысить эффективность доставки кислорода в кровоток в условиях с низким содержанием кислорода», - сказал Снайдер-Маклер.
Конечно же, они впервые идентифицировали специфичные для gelada аминокислотные замены в субъединице альфа-цепи взрослого гемоглобина. Они думали, что нашли свой молекулярный признак высотной адаптации. Они обнаружили две аминокислотные замены в альфа-гемоглобине в местах 12 и 23, которые уникальны для гелад по сравнению с другими приматами. Самое главное, эти замены, наряду со всеми кодирующими последовательностями этого белка, были обнаружены во всех 70 геладах, которые были секвенированы в ходе исследования.
Но когда они проверили эти изменения в лаборатории, их ждал сюрприз. Примечательно, что они не обнаружили различий в P50 (измерение парциального давления, при котором гемоглобин насыщен на 50%) гемоглобина гелады по сравнению с людьми или бабуинами..
«Когда мы обнаружили уникальные изменения в молекулярной последовательности гемоглобина гелады, мы подумали, что эти молекулярные изменения станут ключом к их способности процветать на большой высоте», - сказал Снайдер-Маклер. «Но наши эксперименты показали, что это не так, и служат хорошим напоминанием о важности экспериментальной проверки убедительных гипотез». [KC1]
Молекулярные изменения аминокислотных замен, обнаруженные в гемоглобине gelada, просто не связаны с повышенным сродством гемоглобина к кислороду. Поэтому Снайдер-Маклер и Чиоу обратились к другой потенциальной адаптивной стратегии. Когда люди поднимаются на большую высоту, наш организм ощущает снижение уровня кислорода и, как правило, в ответ начинает вырабатывать больше гемоглобина, несущего кислород, и эритроцитов. Если бы гелады также имели более высокий уровень гемоглобина в крови, возможно, они могли бы улучшить перенос кислорода в крови, не требуя преимуществ в связывании кислорода гемоглобином.
Вместо этого они обнаружили, что концентрация гемоглобина в крови гелад не выше, чем у людей, бабуинов или даже гелад, живущих в зоопарках на уровне моря.
«Отсутствие повышенной концентрации гемоглобина у диких гелад, живущих на большой высоте, предполагает, что они все еще могут снабжать ткани достаточным количеством кислорода, несмотря на ограниченную доступность кислорода», - сказал Чиоу. «Существует много других способов, которыми гелады могут физиологически компенсировать недостаток кислорода, и они могут повлечь за собой множество изменений в дыхательных или циркуляторных особенностях, влияющих на транспорт кислорода».
Итак, команда была вынуждена искать в других частях генома адаптацию к высокогорью.
Затем они рассмотрели физиологические измерения того, может ли адаптация быть результатом того, что гелады развили большую емкость легких. Конечно же, из их анализа они обнаружили, что высотные гелады демонстрируют значительно увеличенную окружность грудной клетки, что потенциально позволяет увеличить площадь поверхности легких для увеличения диффузии кислорода..
«Наши результаты показывают, что у гелад значительно увеличена относительная окружность грудной клетки по сравнению с павианами, что соответствует большему размеру грудной клетки коренных горцев Анд», - сказал Чиоу. «Этот вывод согласуется с возможностью увеличения объема легких, но мы хотим быть осторожными, потому что в этом исследовании мы не измеряли легкие напрямую. Мы также пока не знаем, являются ли эти различия реакцией развития на среду с низким к генетически контролируемому компоненту адаптивного инструментария гелад».
В конечном счете, сравнение размеров грудной клетки содержащихся в неволе гелад, рожденных и выросших на малой высоте, которые в настоящее время недоступны, помогло бы различить эти две возможности.
На возвышенность
После того, как картина белка гемоглобина была исключена, а проблема объема легких осталась нерешенной, они исследовали любые дополнительные доказательства генетических различий. Они накинули широкую сеть на более чем 20 000 кодирующих белок генов в геноме гелады. В целом они идентифицировали 103 гена, демонстрирующих признаки положительного отбора у гелад, которые могли развиться в ответ на условия высокогорья.
К ним относятся четыре гена, участвующих в пути гипоксии (ITGA2, NOTCH4, FERMT1 и MLPH). Они также идентифицировали несколько генов-кандидатов в адаптированных к гипоксии популяциях человека, включая FRAS1 (который участвует в агенезии почек и проявляет признаки адаптации у тибетцев и эфиопов). Другим геном был HMBS, который участвует в биосинтезе гема у непальских шерпов, и, наконец, TNRC18, в значительной степени неизвестный ген, который связан с отбором у глубоководных дайверов Баджау.
Хотя мы обнаружили много совпадений между путями селекции у гелад и людей, живущих на больших высотах, помимо примечательных примеров, перечисленных выше, несколько генов, идентифицированных в ходе нашего анализа, были общими с генами-кандидатами, обнаруженными в исследованиях высоких - высокогорные человеческие популяции или другие высокогорные приматы, - сказал Чиу.
"Это говорит о том, что адаптация гелады к сходным проблемам на большой высоте может в значительной степени включать адаптацию различных наборов генов. Другими словами: естественный отбор мог найти другое молекулярное решение той же проблемы."
После того, как фундамент будет готов, им придется продолжить свои исследования генов, чтобы еще больше уточнить свое понимание.
Последствия сохранения
Каждый раз, когда создается новый геном животного, он рисует совершенно новую картину того, как возникла популяция, и дает представление об их генетическом разнообразии.
Чтобы лучше понять демографическую историю гелад, включая историческую численность гелад и дивергенцию популяций, команда также секвенировала полные геномы 70 содержащихся в неволе и диких гелад из разных частей Эфиопии (3 диких центральных гелады; 50 диких северных гелад; 17 гелад в неволе центрального происхождения), а также 20 павианов-гамадрилов из Филохи, Эфиопия.
Гелады в их выборке попали в две отдельные популяции, которые считаются подвидами: северную популяцию, которая включает в себя всех диких особей из гор Симиен, и центральную популяцию, которая включает в себя диких особей из заповедника сообщества Гуасса, как а также большинство особей из зоопарков.
«Мы не обнаружили никаких доказательств межпородного скрещивания между двумя популяциями диких гелад, и генетические данные предполагают, что эти две популяции были отделены друг от друга около 500 тысяч лет», - сказал Чиу.
Они также выявили любопытную и очень большую разницу в хромосомах гелад, или кариотипе, которая, по-видимому, встречается с чрезвычайно высокой частотой и, возможно, зафиксирована в северной популяции гелад - расщепление хромосом. Они думают, что расщепление хромосом возникло у северных гелад вслед за дивергенцией популяции почти полмиллиона лет назад.
Исследовательская группа считает, что это будет важнейшая часть данных для будущих усилий по сохранению, и может изменить текущую классификацию видов gelada.
«Учитывая, что хромосомные перестройки, как правило, связаны с бесплодием мулов, которые являются гибридным потомством лошади и осла, наши результаты показывают, что гелады могут охватывать по крайней мере два различных биологических вида», - сказал Чиу.
Чиу говорит, что это открытие важно по нескольким причинам.
«Во-первых, таксономический пересмотр сократит примерно вдвое популяции каждого вида гелады и, следовательно, придаст срочность усилиям по сохранению этого ранее недооцененного разнообразия», - сказал Чиоу. «Во-вторых, расщепленная хромосома, которую мы обнаружили у северных гелад, по-видимому, является необычайно недавним примером стабильного хромосомного варианта у долгоживущих приматов. Таким образом, это дает уникальную возможность изучить эволюцию хромосом и роль хромосомных перестроек в видообразовании у приматов, тесно связанных с человеком».
Следующие шаги
Используя результаты исследования, команда надеется продолжить совершенствовать свое понимание адаптации гелады к высокогорью. Теперь у них есть много новых и плодотворных направлений исследований.
В ходе этого исследования мы определили набор характерных для гелады признаков, которые могут обеспечивать адаптацию к их высокогорной среде, в том числе данные об увеличении объема легких и положительном отборе в ряде связанных с гипоксией генов и регуляторных областей., - сказал Снайдер-Маклер.
"Имея это в виду, сборка нашего генома и генетические изменения, специфичные для гелад, открывают множество возможностей для будущих исследований функции кодирующих белок и регуляторных изменений, уникальных для гелад. Это исследование основано на нашем текущем понимании механизмы адаптации к экстремальным условиям и открывает возможности для исследований, которые могут оказать преобразующее влияние на изучение и лечение состояний, связанных с гипоксией."
Работа стала возможной благодаря крупным международным усилиям более чем 30 учреждений, а также благодаря щедрым разрешениям и поддержке со стороны Африканского фонда дикой природы, Управления охраны дикой природы Эфиопии, Национального научного фонда, Национальных институтов здравоохранения Сан Зоопарк Диего, Исследовательский фонд роялти Вашингтонского университета и Немецкий исследовательский фонд. Снайдер-Маклер и Чиу особенно благодарны исследовательскому персоналу, благодаря которому исследование стало возможным (Э. Джеджоу, А. Фента, С. Гирмай, Д. Бьюкет и А. Адвана), материально-техническому персоналу (Т. В. Арегей и С. Асрат). а также ассистенты и студенты исследовательского проекта Simien Mountains Gelada, особенно Дж. Джарви и М. Гомери, а также EWCA за разрешение и поддержку работы в Национальном парке Simien Mountains.