Jak żyrafa uzyskała swoją długą szyję?

UNIVERSITY PARK, Pa. – Po raz pierwszy sekwencjonowano genomy żyrafy i jej najbliższego żyjącego krewnego, samotnego okapi z afrykańskich lasów deszczowych – ujawniając pierwsze wskazówki na temat zmian genetycznych, które doprowadziły do ewolucji wyjątkowo długiej szyi żyrafy i jej rekordowej pozycji najwyższego gatunku lądowego na świecie. Badania zostaną opublikowane w czasopiśmie naukowym „Nature Communications” 17 maja 2016 roku.
„Postura żyrafy, zdominowana przez jej długą szyję i nogi oraz ogólny wzrost, który może osiągnąć 19 stóp (~ 6 m), jest niezwykłym wyczynem ewolucji, który wzbudza respekt i podziw od co najmniej 8000 lat – tak daleko, jak słynne rzeźby naskalne w Dabous w Republice Nigru” – powiedział Douglas Cavener z Penn State, który kierował zespołem badawczym wraz z Morrisem Agabą z Nelson Mandela African Institute for Science and Technology w Tanzanii.

Jak żyrafa uzyskała swoją długą szyję? Wskazówki zostały ujawnione dzięki nowym sekwencjonowaniom genomów. Po raz pierwszy sekwencjonowano genomy żyrafy i jej najbliższego żyjącego krewnego, samotnego okapi z afrykańskich lasów deszczowych – ujawniając pierwsze wskazówki na temat zmian genetycznych, które doprowadziły do ewolucji wyjątkowo długiej szyi żyrafy i jej rekordowej pozycji najwyższego gatunku lądowego na świecie. Badania te zostały opublikowane w czasopiśmie naukowym Nature Communications. Douglas Cavener z Penn State kierował zespołem badawczym wraz z Morrisem Agabą z Nelson Mandela African Institute for Science and Technology w Tanzanii.

Penn State

„Zmiany ewolucyjne wymagane do zbudowania imponującej struktury żyrafy i wyposażenia jej w niezbędne modyfikacje dla jej szybkich sprintów i potężnych funkcji sercowo-naczyniowych pozostały źródłem naukowej tajemnicy od 1800r, kiedy Karol Darwin po raz pierwszy zastanawiał się nad ewolucyjnym pochodzeniem żyrafy”, powiedział Cavener, profesor biologii i dziekan Verne M. Willaman, dziekan Eberly College of Science na Penn State. Serce żyrafy, na przykład, musi pompować krew dwa metry prosto w górę, aby zapewnić wystarczający dopływ krwi do jej mózgu. Ten wyczyn jest możliwy, ponieważ serce żyrafy ewoluowało, aby mieć niezwykle dużą lewą komorę, a gatunek ten ma również ciśnienie krwi, które jest dwa razy wyższe niż u innych ssaków.
Aby zidentyfikować zmiany genetyczne, które mogą być odpowiedzialne za unikalne cechy żyrafy, w tym sprinty, które mogą osiągnąć 37 mil na godzinę (60 km/h), Cavener i Agaba porównali sekwencje kodujące geny żyrafy i okapi z ponad 40 innymi ssakami, w tym krową, owcą, kozą, wielbłądem i człowiekiem. „Sekwencje genów okapi są bardzo podobne do sekwencji żyrafy, ponieważ okapi i żyrafa oddzieliły się od wspólnego przodka zaledwie 11-12 milionów lat temu – stosunkowo niedawno w skali czasu ewolucji” – powiedział Cavener. „Pomimo tak bliskiego pokrewieństwa ewolucyjnego, okapi wygląda bardziej jak zebra i brakuje mu imponującego wzrostu i imponujących zdolności sercowo-naczyniowych żyrafy. Z tych dwóch powodów, sekwencja genomu okapi stanowi potężny ekran, który wykorzystaliśmy do zidentyfikowania niektórych unikalnych zmian genetycznych żyrafy.”
Używając baterii testów porównawczych do badania sekwencji genomu żyrafy i okapi, naukowcy odkryli 70 genów, które wykazały wiele oznak adaptacji. „Te adaptacje obejmują unikalne substytucje aminokwasów, które mają zmienić funkcję białka, dywergencję białek i pozytywną selekcję naturalną” – powiedział Cavener. Ponad połowa z 70 genów koduje białka, o których wiadomo, że regulują rozwój i fizjologię układu kostnego, sercowo-naczyniowego i nerwowego – dokładnie ten rodzaj genów, które według przewidywań są niezbędne do rozwoju unikalnych cech żyrafy.
Wśród odkryć zespołu badawczego jest to, że kilka genów znanych z regulacji rozwoju układu sercowo-naczyniowego lub kontroli ciśnienia krwi znajduje się wśród genów wykazujących liczne oznaki adaptacji u żyrafy. Niektóre z tych genów kontrolują zarówno rozwój układu sercowo-naczyniowego, jak i rozwój szkieletu, co sugeruje intrygującą możliwość, że wzrost żyrafy i turbodoładowany układ sercowo-naczyniowy ewoluowały zgodnie poprzez zmiany w niewielkiej liczbie genów.
Naukowcy odkryli również genetyczne wskazówki dotyczące ewolucji długiej szyi i nóg żyrafy, które mają taką samą liczbę kości jak szyja i nogi ludzi i innych ssaków. „Aby osiągnąć ich niezwykłą długość, kręgi szyjne żyrafy i kości nóg ewoluowały, aby być znacznie wydłużone” – powiedział Cavener. „Wymagane są co najmniej dwa geny – jeden gen, aby określić region szkieletu, który ma rosnąć bardziej, a drugi gen, aby stymulować zwiększony wzrost”. Wśród 70 genów, które badania zespołu ujawniły, że są wyraźnie różne u żyrafy, naukowcy zidentyfikowali geny, o których wiadomo, że regulują obie te funkcje.
„Najbardziej intrygującym z tych genów jest FGFRL1, który ma klaster substytucji aminokwasowych unikalnych dla żyrafy, które znajdują się w części białka, która wiąże czynniki wzrostu fibroblastów – rodzinę regulatorów zaangażowanych w regulację wielu procesów, w tym rozwoju zarodka” – powiedział Cavener. Ta ścieżka czynnika wzrostu fibroblastów odgrywa kluczową rolę w kontrolowaniu rozwoju, począwszy od wczesnego rozwoju embrionu, a skończywszy na fazie wzrostu kości po urodzeniu żyrafy. U ludzi, a także u myszy, poważne wady szkieletowe i sercowo-naczyniowe są związane z wyniszczającymi mutacjami tego genu.
Naukowcy zidentyfikowali również cztery geny homeobox – rodzaj genów zaangażowanych w rozwój struktur ciała – które są znane z określania regionów kręgosłupa i nóg. Cavener spekuluje: „Kombinacja zmian w tych genach homeobox i genie FGFRL1 może dostarczyć dwóch składników niezbędnych do ewolucji długiej szyi i nóg żyrafy.”
Agaba po raz pierwszy zauważył grupę genów regulujących metabolizm i wzrost, które były rozbieżne u żyrafy w porównaniu z okapi. Jeden z tych genów koduje receptor dla kwasu foliowego, który jest niezbędną witaminą B potrzebną do prawidłowego wzrostu i rozwoju. Inne geny metaboliczne, które naukowcy uznali za znacząco zmienione u żyrafy, to te zaangażowane w metabolizm lotnych kwasów tłuszczowych, które powstają w wyniku fermentacji spożytych roślin – głównego źródła energii dla żyrafy i innych przeżuwaczy, takich jak bydło i kozy. Żyrafa ma niezwykłą dietę składającą się z liści akacji i pestek, które są bardzo pożywne, ale również toksyczne dla innych zwierząt. Naukowcy spekulują, że geny odpowiedzialne za metabolizowanie liści akacji mogły wyewoluować u żyrafy w celu obejścia tej toksyczności.
Cavener i Agaba, oboje genetycy eksperymentalni, mówią, że są niespokojni, aby przetestować funkcję niektórych zidentyfikowanych genów, które ich zdaniem mogą być odpowiedzialne za unikalne cechy żyrafy. Ich zespół badawczy testuje obecnie potencjalny wpływ unikalnych różnic w genie FGFRL1 żyrafy, wprowadzając te zmiany u myszy za pomocą nowych metod edycji genów CRISPR. Substytucja żyrafiego genu FGFRL1 u myszy nie powinna doprowadzić do powstania myszy z długą szyją. Naukowcy mają jednak nadzieję zobaczyć, w jaki sposób gen FGFRL1 żyrafy może wpłynąć na zróżnicowany wzrost kręgosłupa i nóg myszy, który jest predyktorem unikalnych cech żyrafy.
„Mamy nadzieję, że publikacja genomu żyrafy i wskazówki dotyczące jej unikalnej biologii zwrócą uwagę na ten gatunek w świetle niedawnego gwałtownego spadku populacji żyraf” – powiedział Cavener. „Podczas gdy los słonia – krótszego towarzysza żyrafy na afrykańskiej sawannie – był przedmiotem lwiej uwagi, populacje żyrafy zmniejszyły się o 40 procent w ciągu ostatnich 15 lat z powodu kłusownictwa i utraty siedlisk (http://www.giraffeconservation.org). W tym tempie spadku, liczba żyraf na wolności spadnie poniżej 10.000 do końca tego wieku. Niektóre podgatunki żyraf już teraz balansują na krawędzi wyginięcia.”
Oprócz Agaby i Cavenera, inni członkowie zespołu badawczego to Edson Ishengoma z Nelson Mandela African Institute for Science and Technology; Webb C. Miller, Barbara C. McGrath, Chelsea Hudson, Oscar C. Bedoya Reina, Aakrosh Ratan, Rico Burhans, Rayan Chikhi, Paul Medvedev, Craig A. Praul, Lan Wu-Cavener, i Brendan Wood z Penn State; Heather Robertson z Nashville Zoo i Linda Penfold z White Oak Conservancy.
Badania te otrzymały wsparcie finansowe od Penn State, Penn State’s Huck Institutes of the Life Sciences oraz Nelson Mandela African Institute for Science and Technology.

Sekwencje genów okapi są bardzo podobne do sekwencji żyrafy, ponieważ okapi i żyrafa oddzieliły się od wspólnego przodka zaledwie 11-12 milionów lat temu – stosunkowo niedawno w skali czasu ewolucji. Pomimo tak bliskiego pokrewieństwa ewolucyjnego, okapi wygląda bardziej jak zebra i brakuje mu imponującego wzrostu i imponujących możliwości sercowo-naczyniowych żyrafy. Z tych dwóch powodów… Czytaj więcej '

IMAGE: Creative Commons License CCBY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en) Użytkownik A-Z Animal: Raul654