Среди высокогорных лугов и пастбищ Эфиопского нагорья стоит один примат, гелада — обезьяна с «кровоточащим сердцем», названная в честь 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.

Наряду с их искусными навыками альпинизма, 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 6000-14000 футов над уровнем моря от их кузенов-бабуинов? 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 подсказки, лежащие в основе адаптации к высокогорью, профессор Школы наук о жизни ASU Ноа Снайдер-Маклер и исследователь с докторской степенью Кеннет Чиоу возглавили группу, которая сначала собрала и секвенировала геном гелады.

«Мы были заинтересованы в изучении адаптации гелад к высокогорью, потому что, в отличие от любой другой человеческой популяции , гелады постоянно жили на большой высоте в течение сотен тысяч лет, что дает нам представление о том, как приматы справляются с экстремальными условиями в течение «глубокого времени». гелады тесно связаны с нами и во многом схожи с нашей биологией, и мы надеемся, что больше информации о геладах может дать представление о лечении заболеваний и расстройств, связанных с большой высотой, включая горную болезнь и опасный отек мозга и легких», — сказал Кеннет. Чиу, который вместе с коллегами прочесывал континент, чтобы скоординировать доступ к диким геладам, и помог провести исследование.

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 высокогорной среде.

В разреженном воздухе

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, выработали гемоглобин, который может более эффективно связывать кислород, что может повысить эффективность доставки кислорода в кровоток при столкновении с низким содержанием кислорода», — сказал Снайдер-Маклер.

Конечно же, они впервые идентифицировали специфичные для gelada замены аминокислот 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 выживать на большой высоте, — сказал Снайдер-Маклер, — но наши эксперименты показали что это не так, и служат хорошим напоминанием о важности экспериментальной проверки убедительных гипотез».

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 транспорт 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 снижение доступности кислорода», — сказал Чиу. «Есть много других способов, которыми гелады могут физиологически компенсировать недостаток кислорода, и они могут повлечь за собой множество изменений в дыхательных или циркуляторных особенностях, которые влияют на транспорт кислорода».

Таким образом, команда была вынуждена искать в геноме 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 увеличилась относительная окружность груди по сравнению с бабуинами, что соответствует большему размеру груди у 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 груди у 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 закинули широкую сеть, охватив более 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 высокогорную среду.

Они включали 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 Баджо.

«Хотя мы обнаружили много совпадений между выбранными путями у гелад и человеческих популяций, живущих на больших высотах, помимо примечательных примеров, перечисленных выше, несколько генов, идентифицированных нашим анализом, были общими с генами-кандидатами, о которых сообщалось в исследованиях высокогорных человеческих популяций или других высокогорных приматов», — сказал Чиу.

«Это говорит о том, что адаптация гелады к аналогичным проблемам на большой высоте может в значительной степени включать адаптацию в разных наборах генов. Другими словами: естественный отбор мог найти другое молекулярное решение той же проблемы».

Когда фундамент будет завершен, 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.

Гелады встречаются почти исключительно на высоте от 2350 до 4550 метров над уровнем моря, где доступно меньше атмосферного кислорода. Это один из самых высоких высотных диапазонов для любого вида приматов. Предоставлено: Университет штата Аризона.

Чтобы лучше понять демографическую историю гелад, включая историческую численность популяции и расхождение популяций, команда также секвенировала полные геномы 70 содержащихся в неволе и диких гелад из разных частей Эфиопии (3 диких центральных гелад, 50 диких северных гелад, 17 содержащихся в неволе гелад центральное происхождение), 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 Симьен, и центральную популяцию, которая включает в себя диких особей из заповедника сообщества Гуасса, а также большинство особей из зоопарки.

«Мы не нашли 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 Чиоу.

Они также выявили любопытное и очень большое различие в хромосомах гелад, или кариотипе, которое, по-видимому, встречается с чрезвычайно высокой частотой и, возможно, зафиксировано в северной популяции гелад — расщепление хромосом. Они думают, что расщепление хромосом возникло у северных гелад после дивергенции популяции почти полмиллиона лет назад.

Исследовательская группа считает, что это будет критически важной частью 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 Чиоу.

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, она дает уникальную возможность изучить эволюцию хромосом и роль хромосомных перестроек в видообразовании у долгоживущих приматов. примат, тесно связанный с человеком».

Следующие шаги

С результатами исследования команда надеется продолжить совершенствовать свое понимание адаптации гелады к высокогорью. Теперь у них есть много новых и плодотворных направлений исследований.

«В результате этого исследования мы определили набор специфических черт гелады, которые могут обеспечивать адаптацию к их высокогорной среде, включая доказательства увеличения емкости легких и положительного отбора в ряде генов и регуляторных областей, связанных с гипоксией», — 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 механизмов адаптации к экстремальным условиям. средах и предоставляет возможность для исследований, которые могут оказать преобразующее влияние на изучение и лечение состояний, связанных с гипоксией».

Работа стала возможной благодаря большим международным усилиям более чем 30 учреждений.

Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology and Evolution.