Ген жирафа защитил мышей от гипертонии и сделал их кости прочнее

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 : 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 () — 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 () из зоопарка Гуанчжоу, выделили из них ДНК и секвенировали геном. Полученные данные сравнили с информацией о геномах окапи (), представителей семейства полорогих () 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 (). 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 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 содержит больше уникальных мутаций, чем какой-либо другой ген жирафа.

Исследователи предположили, что мутации в  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 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  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 , 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: , и . 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 мы рассказывали о том, как 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.