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 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.

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)

Иллюстрация любезно предоставлена Майей Арендт