Адаптация к новой диете во время одомашнивания собак: последствия для процесса одомашнивания и здоровья собак

Адаптация к новой диете во время одомашнивания собак: последствия для процесса одомашнивания и здоровья собак

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 одомашнивание собак

Собаки, вероятно, были первыми одомашненными животными, и они все еще важны для современного человеческого общества. Неясно, когда и где начался процесс одомашнивания. 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 одомашнивание началось 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 одомашнивание собак началось 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.

Геномные различия между собаками и волками

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 значительно отличаются между собаками и волками. 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.

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)

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)

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.

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)

 

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)

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

Список литературы:

  1. Оводов Н.Д., Крокфорд С. Я., Кузьмин Ю. В. и др. Зарождение собаки произошедшие 33 000 назад в Алтайских горах Сибири: свидетельство самого раннего одомашнивания, нарушенного последним ледниковым максимумом. Биохимия. 2011;6.
  2. Pionnier-Capitan M, Bemilli C, Bodu P и др. Новые данные о мелких домашних собаках эпохи верхнего палеолита в Юго-Западной Европе. J Archaeol Sci. 2011;38: 2123-2140.
  3. Thalmann O, Shapiro B, Cui P, и соавт. Полные митохондриальные геномы древних псовых предполагают европейское происхождение домашних собак. Наука. 2013;342:871-874.
  4. Crockford SJ, Kuzmin YV. Комментарии: 1) Germonpre, и соавт. Ископаемые собаки и волки из палеолитических стоянок Бельгии, Украины и России: остеометрия, древняя ДНК и стабильные изотопы. J Archaeol Sci. 2009;36. 2) Germonpre, Lazkickova- Galetova, Sablin. Палеолитические собачьи черепа на месте Граветтского предместья, Чешская республика. J Archaeol Sci. 2012;39. J Archaeol Sci. 2012;39:2797-2801.
  5. Davis SJM, Valla FR. Свидетельство одомашнивания собаки 12 000 лет назад в Натуфии израильской. Природа. 1978; 276:608-610.
  6. Tchernov E, Valla FF. Две новые собаки и другие Натуфийские собаки из Южного Леванта. J Archaeol Sci. 1997;24:65-95.
  7. Skoglund P, Gotherstrom A, Jakobsson M. Оценка времени расхождения популяций из неперекрывающихся геномных последовательностей: примеры из собак и волков. Mol Biol Evol. 2011;28:1505-1517.
  8. Freedman AH, Schweizer RM, Gronau I и др. Секвенирование генома выделяет гены при отборе и динамическую раннюю историю собак. ARXIV (электронная печать arXiv). 2013;1305:7390
  9. Pang JF, Kluetsch C, Zou XJ. Данные мтДНК указывают на одно происхождение собак к югу от реки Янцзы, менее 16 300 лет назад, от многочисленных волков. Mol Biol Evol. 2009; 26:2849-2864.
  10. Ding ZL, Oskarsson M, Ardalan A, и др. Происхождение домашней собаки в Юго-Восточной Азии подтверждается анализом ДНК Y-хромосомы. Наследственность. 2012;108:507-514.
  11. Axelsson E, Ratnakumar A, Arendt ML. Геномный признак одомашнивания собак показывает адаптацию к богатой крахмалом диете. Природа. 2013;495:360-364.
  12. Hare B, Wobber V, Wrangham R. Гипотеза самостоятельного одомашнивания: эволюция психологии бонобо обусловлена отбором против агрессии. An Behav.2012:83:573-585.
  13. Mocharla H, Mocharla R, Hodes ME. Транскрипция гена альфа-амилазы в тканях нормальной собаки. Нуклеиновые кислоты рез. 1990;18:1031-1036.
  14. Ген мальтазы-глюкоамилазы: общее происхождение от сахаразы-изомальтазы с комплементарной активностью переваривания крахмала. Natl Acad Sci (USA).2003;100:1432-1437.
  15. Wright EM, Loo DDF, Hirayama BA. огия человеческих Транспортеров глюкозы натрия. Физиология Ред. 2011;91:733-794.
  16. Arendt ML, Fall T, Lindblad-Toh K, Активность амилазы связана с числом копий AMY2B у собак: последствия для одомашнивания собак, диеты и диабета. (Представлено для публикации)