Список сокращений
AMY2B: панкреатическая амилаза в тонком кишечнике собак, которая инициирует переваривание крахмала
GO: генная онтология
MGAM: мальтаза-глюкоамилаза, ответственная за гидролиз мальтозы до глюкозы
ПЦР: полимеразная цепная реакция
SGLT1: натрий-глюкозный ко-транспортер 1
YBP: годы до настоящего времени
Обзор
Сравнения геномов собак и волков открывают новые перспективы в изучении происхождения собак. Недавно мы использовали этот метод для отображения этапов селекции во время одомашнивания собак и идентифицировали несколько генов, участвующих в пищеварении и жировом обмене. В частности, отбор по трем генам, ответственным за переваривание пищевого крахмала, указывает на то, что одомашнивание собак сопровождалось переходом от преимущественно плотоядной диеты к относительно богатой крахмалом. Благодаря исследованиям генетического разнообразия в этих локусах в популяциях собак со всего мира мы можем получить представление о том, как и где происходила эта адаптация, а также о том, как изменение рациона питания может повлиять на здоровье собак.
Введение в историю одомашнивания собак
Собаки, вероятно, были первыми одомашненными животными, и они все еще важны для современного человеческого общества. Неясно, когда и где начался процесс одомашнивания собаки человеком. Ископаемые останки псовых в Европе и России, датируемые от 12 000 до 33 000 лет до нашего времени (YBP) [1,2], могут говорить о том, что история приручения собак человеком началась среди охотников-собирателей палеолита. Однако неясно, являются ли эти останки предками современных собак [3] неудачными попытками одомашнивания или естественной морфологической изменчивостью среди волков [4]. Останки из Израиля, возраст которых составляет 12 000 лет, могли бы представлять собой самые ранние собачьи останки [5, 6], потенциально связывающие одомашнивание собак с переходом человека от кочевого к оседлому образу жизни.
Крупномасштабные генетические анализы показывают, что приручение собаки началась между 18 000 и 11 000 YBP [7,8], но поскольку все волки, по-видимому, одинаково тесно связаны с собаками [8], эти исследования менее информативны в отношении местоположения процесса одомашнивания. С другой стороны, всемирные исследования изменчивости митохондриальных и Y-хромосомных гаплотипов у собак показывают, что китайские деревенские собаки обладают непревзойденным уровнем генетического разнообразия, предполагая, что большинство современных собак имеют китайское происхождение [9,10]. В добавок к этим неопределенностям относительно происхождения собак, также неясно, почему и как собаки были одомашнены. Люди, возможно, начали этот процесс, захватив волчат для использования в охране или охоте. С другой стороны, когда люди перешли от кочевого к оседлому образу жизни, волки сами могли приблизиться к свалкам отходов вблизи человеческих поселений, чтобы добыть пищу [6]. Отбор по характеристикам, которые позволяли эффективно использовать новый альтернативный источник еды, возможно, привел к эволюции волка-падальщика, который представлял предка собаки.
Чем отличается волк от собаки: геномные отличия
Общегеномные сравнения домашних и диких родственников на популяционном уровне в последнее время начали проливать свет на некоторые процессы одомашнивания. Идентификация геномных областей, в которых одомашненные вариации имеют общий гаплотип, обычно отсутствующий или достаточно редко встречающийся у диких родственников, может быть использована для прослеживания селекции во время первоначального одомашнивания. Функциональная характеристика генов в этих областях может дать представление о признаках, характеризующих домашних животных. Такие знания, в свою очередь, могут быть использованы для изучения генетической основы этих признаков и экстраполяции на изменения окружающей среды, сопровождавшие переход от диких животных к домашним, что позволяет по-новому взглянуть на процесс одомашнивания.
Следуя этим рассуждениям, мы недавно проследили селекцию во время раннего одомашнивания собак, сравнив объединенные данные о последовательности всего генома от 12 широко распространенных волков и 60 собак [11], и выявили 36 геномных областей, которые имеют значительные отличия у собак и волков. Функционально характеризуя гены в этих областях с помощью анализа генной онтологии (GO), мы выявили два основных направления функциональных изменений во время одомашнивания собак.
Первое связано с развитием нервной системы и поддерживает гипотезу о том, что селекция для изменений в поведении во время одомашнивания собак была очень важна и что мутации, влияющие на гены развития, могут лежать в основе этих изменений [12,13]. Второе направление связано с пищеварением и включает в себя гены, участвующие как в крахмальном, так и в жировом обмене. В частности, мы нашли доказательства того, что селекция влияет на три последовательных этапа в пути, ответственном за переваривание крахмала и последующее усвоение глюкозы, что указывает на то, что собаки, возможно, адаптировались к изменению от преимущественно плотоядной диеты к более богатой крахмалом.
AMY2B
У собак переваривание крахмала начинается в тонком кишечнике с помощью панкреатической амилазы (AMY2B), катализирующей расщепление крахмала до олигосахаридов мальтозы и мальтриозы [13]. После первоначальных исследований AMY2B у собак мы использовали количественную полимеразную цепную реакцию (ПЦР), чтобы показать, что повторные дупликации генов привели к семикратному увеличению числа копий AMY2B у собак по сравнению с волками (Рис.1) [11]. Впоследствии мы установили, что эта разница связана с более высокой экспрессией AMY2B поджелудочной железы (у собаки средняя экспрессия в 28 раз выше (Рис.1), а также активность сывороточной амилазы у собаки выше чем у волка (у собаки активность в 4,7 раза выше, (Рис. 1]) [11]. Наши наблюдения доказывают, что дублирование AMY2B, вероятно, привело к избирательному преимуществу перед предками собак за счет повышения активности амилазы.
Рисунок 1.
а количество особей/ количество диплоидных копий
b экспрессия/ волки и собаки
c активность амилазы (кат/л) / волки и собаки
а. Распределение числа копий AMY2B среди 35 волков (заполненный столбик) и 136 собак (пустые столбики). b. Уровни экспрессии РНК-мессенджера амилазы в поджелудочной железе 12 волков (круги) и 9 собак (квадраты). c. Активность амилазы в сыворотке крови 13 волков (круги) и 12 собак (квадраты). (11)
`
MGAM
После первоначального расщепления крахмала на олигосахариды, мальтаза-глюкоамилаза (MGAM) отвечает за гидролиз мальтозы до глюкозы [14]. MGAM расположена в области 16-й хромосомы, которая сильно отличается у собак и волков. Мы идентифицировали несколько мутаций в этом локусе, включая две консервативные аминокислотные замены, делецию 2 bp, которая нарушает стоп-кодон MGAM у собак, и мутацию в интроне 37, которая влияет на предполагаемый участок связывания транскрипционного фактора.
Хотя мы не смогли определить, какие из этих мутаций появились в результате селекции во время одомашнивания собак, наши функциональные исследования определили, что экспрессия MGAM и активность белка MGAM изменились в процессе одомашнивания: уровни экспрессии MGAM в среднем в ~12-раз выше у собак по сравнению с волками, а мальтоза преобразуется в глюкозу в два раза быстрее в собачьей сыворотке по сравнению с волчьей (Рис. 2). [11].
Рисунок 2.
a экспрессия/ волки и собаки
b активность MGAM / волки и собаки
а. Уровни экспрессии MGAM мРНК в поджелудочной железе 8 волков (круги) и 9 собак (квадраты). b. Активность MGAM в сыворотке крови 8 волков (квадраты) и 7 собак (круги). (11)
SGLT1
После завершения гидролиза крахмала образующаяся глюкоза всасывается через стенку тонкой кишки натрий-глюкозным ко-транспортером 1 (SGLT1) [15]. SGLT1 находится в области 26-й хромосомы, которая также заметно отличается по частоте встречаемости гаплотипов между собакой и волком. Все исследуемые собаки были носителями определенного гаплотипа, который полностью отсутствовал у 18 из 19 волков [11]. Эта область включает консервативную аминокислотную замену на SGLT1, хотя до сих пор нам не удалось определить, что эта мутация действительно представляет собой цель селекции в этой области.
Число копий AMY2B и активность амилазы отличаются у разных собак
Хотя наши наблюдения доказывают, что собаки в целом переваривают крахмал более эффективно, чем волки (Рис.3), сильная вариабельность числа копий AMY2B (диплоидный диапазон числа копий AMY2B у собак 2N=4-30) и широко варьирующиеся значения активности сывороточной амилазы у собак (16) указывают на то, что способность обрабатывать крахмал может изменяться генетически детерминированным образом в популяции собак. Сравнивая число копий AMY2B и активность амилазы у различных групп собак, мы подтвердили, что активность амилазы связана с числом копий AMY2B (бета 0,69 на копию; Р=0,028, линейная регрессия), подтверждая, что разные собаки, действительно, могут быть неодинаково приспособлены к перевариванию крахмала [16].
Рисунок 3. Иллюстрация, показывающая, как крахмал переваривается в тонком кишечнике собак. Панкреатическая амилаза инициирует переваривание крахмала, катализируя гидролиз крахмала до олигосахаридов мальтозы и мальтриозы. Мальтаза-глюкоамилаза продолжает этот процесс, расщепляя мальтозу на глюкозу, которая транспортируется через просветную мембрану тонкой кишки натриевым/глюкозным ко-транспортером 1 (SGLT1). Все три стадии процесса переваривания крахмала и усвоения глюкозы демонстрируют признаки селекции при одомашнивании собаки.
Иллюстрация любезно предоставлена Майей Арендт
Из-за влияния селекционеров в процессе создания породы и возможных различий во влиянии факторов внешней среды в разных географических локациях, вероятно, что эта способность может варьироваться между породами. В подтверждение этой идеи мы обнаружили, что количество копий AMY2B значительно различается у множества собак и что почти 70% вариабельности можно отнести к породе [16]. Так, например, в некоторых породах, традиционно придерживавшихся относительно богатой мясом диеты, количество копий невелико [16]. Таким образом, способность собак обрабатывать крахмал, по-видимому, различается как на индивидуальном, так и на породном уровне.
Выводы
В заключение наше общегеномное сравнение собак и волков доказывает, что селекция повлияла на три гена переваривания крахмала во время одомашнивания собак: AMY2B, MGAM и SGLT1. Это указывает на то, что адаптация, которая позволила предкам современных собак процветать на диете, которая была относительно богата крахмалом, стала важным шагом в процессе одомашнивания. Хотя собаки переваривают крахмал более эффективно, чем волки, эта способность, по-видимому, значительно варьируется в популяции собак, причем некоторые породы лучше приспособлены к усвоению крахмала, чем другие. В настоящее время ведутся исследования по вопросу о том, может ли эта изменчивость быть связана с традиционными привычками питания или с предрасположенностью к метаболическим нарушениям.
Иллюстрация любезно предоставлена Майей Арендт
