Якутские коровы приспособились к холодам за счет древних генов и новой мутации
Журнал Molecular Biology and Evolution 30 марта 2021 года опубликовал статью об исследовании генома якутских коров. В составе международного коллектива авторов есть и сотрудники ИМКБ (подчеркнуты):
Buggiotti L, Yurchenko AA, Yudin NS, Vander Jagt CJ, Vorobieva NV, Kusliy MA, Vasiliev SK, Rodionov AN, Boronetskaya OI, Zinovieva NA, Graphodatsky AS, Daetwyler HD, Larkin DM. Demographic history, adaptation, and NRAP convergent evolution at amino acid residue 100 in the world northernmost cattle from Siberia. Mol Biol Evol, 2021, doi: 10.1093/molbev/msab078
Научно-популярное издание N+1 31 марта 2021 г. рассказало об этом исследовании
Якутские коровы выживают в экстремальном климате Северо-Восточной Азии благодаря набору генетических вариантов, унаследованных от предков всех домашних быков, но утраченных другими европейскими породами, а также совершенно новой мутации в гене NRAP. Последняя связана с работой мышц и, вероятно, помогает сердцу более эффективно перекачивать кровь. Интересно, что аналогичную мутацию независимо приобрели некоторые другие виды млекопитающих, которые впадают в спячку или ныряют на большую глубину. Результаты исследования команды российских, британских и австралийских специалистов опубликованы в статье для журнала Molecular Biology and Evolution.
Домашние коровы (Bos taurus) относятся к числу важнейших сельскохозяйственных животных. Люди приручили их предков — туров (B. primigenius) от восьми до десяти тысяч лет назад, причем сделали это независимо на Ближнем Востоке и на Индийском субконтиненте. С тех пор коровы расселились по всем континентам (кроме Антарктиды) и многим островам, адаптируясь к местным условиям. Например, некоторые породы приспособились к жизни в экстремально жарких регионах.
Другим популяциям, напротив, пришлось справляться с трудностями холодного климата. Особенно преуспели в этом якутские коровы, которые могут выживать в двухстах километрах за Северным полярным кругом и переносить температуры ниже -60 градусов по Цельсию. Эта порода возникла в районе Байкала, а затем около 800 лет назад вместе с якутами широко распространилась по северо-востоку Азии. К сожалению, точное происхождение этих выносливых копытных и генетические особенности, которые делают их устойчивыми к морозам, до сих пор остаются неизвестными.
Разобраться в этом вопросе решила команда российских, британских и австралийских биологов во главе с Денисом Ларкиным (Denis M. Larkin) из Королевского ветеринарного колледжа. Специалисты сравнили образцы геномов двадцати якутских коров и двадцати коров холмогорской породы, которая возникла на севере европейской части России и тоже хорошо приспособлена к холодам, хотя и не таким экстремальным. Также в анализ добавили данные о двух других породах — голштинской и корейской хану, первая из которых родственна холмогорской, а вторая — якутской. А для изучения истории якутских коров выборку дополнили образцами, полученными от 113 особей, представляющих китайские, индийские и африканские породы из линии зебу (B. t. indicus) и пять видов быков: домашний як (Bos grunniens), бантенг (B. javanicus), гаял (B. frontalis), гаур (B. gaurus) и бизон (Bison bison).
Исследование показало, что эволюционная линия якутских коров разошлась с предшественниками европейских пород около пяти тысяч лет назад. Для сравнения, предки холмогорской и голштинской пород разделились всего около трехсот лет назад. При этом в геноме якутских коров были обнаружены следы резкого сокращения численности около трехсот лет назад. Возможно, они связаны с включением Якутии в состав России в XVII веке. Последовавшие за этим эпидемии оспы и других инфекционных болезней сократили местное население примерно на 70 процентов, что отрицательно сказалось на поголовье скота. Порода остается редкой и сегодня: по разным источникам, сохранилось около одной-двух тысяч чистокровных животных.
Ранее высказывалось предположение, что в происхождение якутских коров внесли вклад зебу. Ларкин и его коллеги нашли ряд подтверждений этой гипотезе — однако они вступали в конфликт с другими результатами. Более тщательный анализ продемонстрировал, что предки якутских коров не скрещивались с зебу, а сохранили общие с ними генетические варианты, которые присутствовали и у предков европейских пород, но со временем исчезли или стали очень редкими в результате селекции, направленной на более интенсивное производство молока и мяса. Среди данных вариантов есть те, что отвечают за терморегуляцию — возможно, зебу они помогают выживать в экстремально жарком, а якутским коровам — в экстремально холодном климате.
Специалисты также обнаружили у якутских коров уникальный генетический вариант, отсутствующий у всех остальных пород и других видов быков, включенных в исследование. Речь о замене гуанина на тимин в очень консервативном гене NRAP, который кодирует относящийся к небулину якорный белок. Данное вещество связывает актиновые филаменты в скелетных мышцах и миокарде.
Анализ геномов 113 видов млекопитающих выявил аналогичную мутацию у 16 из них. В первую очередь это виды, приспособленные впадать в спячку, например, некоторые летучие мыши и мелкие лемуры. Кроме того, такая же замена в гене NRAP есть у моржей, одного вида морских львов и двух видов настоящих тюленей. Они в спячку не впадают, однако ищут корм в холодной воде и, подобно гибернирующим животным, замедляют сердечный ритм во время ныряния.
Исследователи предположили, что якутским коровам мутация в NRAP помогает переживать холода. Однако оставалось неясным, возникла ли она с нуля или передалась от каких-то других быков, которые жили в Северо-Восточной Азии в прошлом. Чтобы выяснить это, Ларкин и его соавторы проанализировали древние геномы домашних быков, туров, диких яков (B. mutus) и степных зубров (Bison priscus), извлеченные из найденных в Сибири образцов возрастом от двух с половиной до пятидесяти тысяч лет. Ни в одном из них соответствующей мутации обнаружить не удалось — таким образом, у якутских коров она возникла с нуля и быстро распространилась по популяции. Вероятно, это произошло совсем недавно, уже после переселения якутов в Северо-Восточную Азию 800 лет назад.
По словам авторов, это интересный пример конвергентной эволюции на генетическом уровне. Приспосабливаясь к экстремальным климатическим условиям, якутский скот приобрел ту же мутацию, что характерна для некоторых других видов млекопитающих, живущих в сезонном климате или способных к глубоким погружениям под воду. Вероятно, благодаря мутантному белку сердце получает возможность эффективнее перекачивать кровь как при низких температурах, так и на большой глубине. Авторы надеются, что открытие этой необычной мутации у якутских коров поможет сделать другие породы крупного рогатого скота более устойчивыми к холодному климату.
Многие популярные породы коров не слишком хорошо справляются с последствиями климатических изменений. Например, молочные коровы голштинской породы в жару испытывают сильный тепловой стресс из-за черных пятен на шкуре. Новозеландские ученые предложили решение этой проблемы: они осветлили окраску этих животных с помощью генного редактирования. В результате эксперимента на свет появились два теленка необычной серо-белой окраски.
Сергей Коленов