Геном белого медведя показывает быструю адаптацию к жирной диете
Сравнение геномов белых и бурых медведей показывает, что белый медведь — гораздо более молодой вид, чем считалось ранее. Он отделился от бурых медведей менее 500 000 лет назад.
Анализ также выявил несколько генов, которые могут быть вовлечены в экстремальные адаптации белых медведей к жизни в высоких широтах Арктики. Вид проводит большую часть жизни на морском льду, где его рацион, богатый жиром, состоит в основном из морских млекопитающих.
Гены, обнаруженные в исследовании, связаны с метаболизмом жирных кислот и функцией сердечно-сосудистой системы. Они могут объяснять способность медведя справляться с диетой с высоким содержанием жира, избегая при этом жировых бляшек в артериях и сердечно-сосудистых заболеваний, поражающих людей с богатой жирами диетой. Эти гены могут дать представление о том, как защитить людей от вредных последствий диеты с высоким содержанием жира.
Исследование было совместной работой датских учёных (под руководством Эске Виллерслева, включая Руне Дица, Кристиана Сонне и Эрика В. Борна, предоставивших образцы крови и тканей белых медведей), исследователей из BGI в Китае (включая Шипин Лю, Гоцзе Чжана и Цзюнь Вана, которые секвенировали геномы и анализировали данные) и команды исследователей из Калифорнийского университета в Беркли (включая Элин Лоренцен, Маттео Фумагалли и Расмуса Нильсена).
«Для белых медведей сильное ожирение — доброкачественное состояние», — сказала Лоренцен, один из ведущих авторов. — «Мы хотели понять, как им это удаётся».
«Преимущество сравнительной геномики в том, что мы узнаём, как другие организмы справляются с условиями, которым подвержены и мы», — сказал Нильсен. — «Например, белые медведи генетически адаптировались к диете с высоким содержанием жира, которую теперь навязывают себе многие люди. Если мы узнаем немного о генах, которые позволяют им с этим справляться, возможно, это даст нам инструменты для модуляции человеческой физиологии в будущем».
Результаты сопровождают публикацию первого собранного генома белого медведя в качестве материала на обложке выпуска журнала Cell от 8 мая.
Близкие родственники
Анализ генома появляется в то время, когда популяция белых медведей в мире, оцениваемая в 20 000–25 000 особей, сокращается, а их среда обитания — арктический морской лёд — быстро исчезает. По мере потепления в северных широтах дальний родственник белого медведя, бурый или гризли (Ursus arctos), продвигается дальше на север и иногда скрещивается с белым медведем (Ursus maritimus), производя гибридов, прозванных «пиззли».
Их способность к скрещиванию является результатом очень близкого родства, сказал Нильсен, которое составляет одну десятую эволюционного расстояния между шимпанзе и людьми. Предыдущие оценки времени расхождения между белыми и бурыми медведями варьировались от 600 000 до 5 миллионов лет назад.
«Очень удивительно, что время расхождения настолько короткое. Все уникальные адаптации белых медведей к арктической среде должны были развиться за очень короткое время», — сказал он. Эти адаптации включают не только смену окраса шерсти с бурой на белую и развитие более обтекаемого тела, но и большие физиологические и метаболические изменения.
Генетические изменения влияют на метаболизм жиров
Сравнение геномов показывает, что за несколько сотен тысяч лет естественный отбор привёл к серьёзным изменениям в генах, связанных с транспортом жиров в крови и метаболизмом жирных кислот. Одним из наиболее сильно отобранных генов является APOB, который у млекопитающих кодирует основной белок ЛПНП (липопротеинов низкой плотности), широко известный как «плохой» холестерин. Изменения или мутации в этом гене отражают критическую важность жира в рационе белого медведя и необходимость животного справляться с высоким уровнем глюкозы и триглицеридов в крови, в частности холестерина, что было бы опасно для людей. Жир может составлять до половины веса белого медведя.
«Жизнь белого медведя вращается вокруг жира», — сказала Лоренцен. — «Детёныши питаются молоком, которое может содержать до 30% жира, а взрослые особи едят в основном жир морских млекопитающих. У белых медведей есть большие жировые отложения под кожей, и, поскольку они живут, по сути, в полярной пустыне и не имеют доступа к пресной воде большую часть года, они полагаются на метаболическую воду — побочный продукт расщепления жира».
Она отметила, что эволюция нового метаболизма для обработки пищевого жира должна была произойти очень быстро, всего за несколько сотен тысяч лет, поскольку известно, что белые медведи уже питались морской диетой 100 000 лет назад.
Что именно двинуло эволюцию белых медведей, неясно, хотя разделение с бурыми медведями (датированное периодом 343 000–479 000 лет назад) совпадает с особенно тёплым 50 000-летним межледниковым периодом, известным как Морской изотопный этап 11. Изменения окружающей среды после климатических сдвигов могли побудить бурых медведей продвинуться гораздо дальше на север. Когда тёплый промежуток закончился и наступил ледниковый холодный период, группа бурых медведей могла оказаться в изоляции и была вынуждена быстро адаптироваться к новым условиям.
Образцы со всей Арктики
Анализ включал образцы крови и тканей от 79 гренландских белых медведей и 10 бурых медведей из Швеции, Финляндии, Национального парка Глейшер на Аляске и островов Адмиралти, Баранова и Чичагова (ABC) у побережья Аляски.
По словам Лоренцен, «ключом, который позволил нам открыть дверь эволюции белого медведя», стал метод, разработанный аспирантом по математике Калифорнийского университета в Беркли Келли Харрис, который использовался для оценки демографической истории человека. Этот подход, называемый методом трактов идентичности по состоянию (IBS), доказал свою эффективность в оценке того, когда древние человеческие популяции разошлись, каковы были их прошлые размеры популяций, а также когда и в какой степени они смешивались.