Фізіологічні та генетичні адаптації до занурення у морських кочівників

Кафедра внутрішньої медицини та Центр інфекційних хвороб Радбоуда (RCI), Медичний центр Університету Радбоуда, Неймеген 6525, Нідерланди Кафедра геноміки та імунорегуляції, Інститут наук про життя та медицину (LIMES), Боннський університет, Бонн 53115, Німеччина

Сухартіні Салінгкат
Афіліації
Томпотіка Лувук Банггай, Університет Томпотіка, Лувук 94711, Індонезія
Авторські виноски
12 Провідна контактна особа
Расмус Нільсен
Кореспонденція
Автор-кореспондент
12 Провідна контактна особа
Афіліації

Центр геогенетики, Копенгагенський університет, Копенгаген 1350, Данія Кафедра інтегративної біології, Каліфорнійський університет в Берклі, Берклі, Каліфорнія, 94720, США

Еске Віллерслев
Кореспонденція
Автор-кореспондент
Афіліації

Центр геогенетики, Копенгагенський університет, Копенгаген 1350, Данія Кафедра зоології, Кембриджський університет, Кембридж, CB2 3EJ, Великобританія Wellcome Trust, Інститут Сенгера, Хінкстон CB10 1SA, Великобританія

Авторські виноски
12 Провідна контактна особа
Відкритий архів DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.03.054

Основні моменти

Баджау, або “морські кочівники”, займаються дайвінгом на затримці дихання протягом тисячоліть
Відбір збільшив розмір селезінки баджау, забезпечуючи кисневий резервуар для дайвінгу
Ми знаходимо докази додаткових фенотипів, пов’язаних із затримкою дихання, під час селекції
Ці висновки мають значення для дослідження гіпоксії, актуальної медичної проблеми

Резюме

Розуміння фізіології і генетики толерантності людини до гіпоксії має важливе медичне значення, але це явище досі досліджувалося лише у високогірних людських популяціях. Інша система, яку ще належить дослідити, – це люди, які займаються дайвінгом на затримці дихання. Корінний народ баджау (“морські кочівники”) Південно-Східної Азії веде спосіб життя, заснований на пірнанні на затримці дихання, і відомий своїми надзвичайними здібностями до затримки дихання. Однак невідомо, чи має це генетичне підґрунтя. Використовуючи порівняльне геномне дослідження, ми показали, що природний відбір за генетичними варіантами в гені PDE10A збільшив розмір селезінки у баджау, забезпечуючи їх більшим резервуаром насичених киснем еритроцитів. Ми також знаходимо докази сильного відбору, специфічного для баджау, за геном BDKRB2, що впливає на рефлекс пірнання людини. Таким чином, баджау, і, можливо, інші популяції, що пірнають, надають нову можливість для вивчення адаптації людини до толерантності до гіпоксії.

Відео анотація

(mp4, (9.88 MB)

Графічна анотація

Ключові слова

Вступ

Людина – єдиний вид ссавців, який колонізував всі найбільш екстремальні середовища Землі, від високогірних гірських ланцюгів до віддалених островів Тихого океану. Фенотипічні адаптації людини до екстремальних умов середовища були предметом багатьох досліджень (

• Beall C.M.

Andean, Tibetan, and Ethiopian patterns of adaptation to high altitude hypoxia.
Integr. Comp. Biol. 2006; 46 : 18-24

• Yi X.
• Liang Y.
• Huerta-Sanchez E.
• Jin X.
• Cuo Z.X.P.
• Pool J.E.
• Xu X.
• Jiang H.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• та ін.

Секвенування 50 екзосом людини виявляє адаптацію до високогір’я.
Наука. 2010; 329 : 75-78

), зокрема тому, що локально адаптовані популяції дають можливість вивчати генетичні та фізіологічні наслідки збурень навколишнього середовища. Наприклад, дослідження адаптацій у населення Тибету (

• Beall C.M.
• Cavalleri G.L.
• Deng L.
• Elston R.C.
• Gao Y.
• Knight J.
• Li C.
• Li J.C.
• Liang Y.
• McCormack M.
• та ін.

Природний відбір на EPAS1 (HIF2alpha), асоційований з низькою концентрацією гемоглобіну у тибетських горян.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2010; 107 : 11459-11464

• Peng Y.
• Yang Z.
• Zhang H.
• Cui C.
• Qi X.
• Ло X.
• Tao X.
• Wu T.
• Ужулуобу
• Басанг
• та ін.

Генетичні варіації в тибетських популяціях та високогірна адаптація в Гімалаях.
Mol. Biol. Evol. 2011; 28 : 1075-1081

• Simonson T.S.
• Yang Y.
• Huff C.D.
• Yun H.
• Qin G.
• Witherspoon D.J.
• Bai Z.
• Лоренцо Ф.Р.
• Xing J.
• Jorde L.B.
• та ін.

Генетичні докази високогірної адаптації в Тибеті.
Наука. 2010; 329 : 72-75

• Wuren T.
• Simonson T.S.
• Qin G.
• Xing J.
• Huff C.D.
• Witherspoon D.J.
• Jorde L.B.
• Ge R.L.

Спільні та унікальні сигнали високогірної адаптації в географічно відмінних тибетських популяціях.

PLoS ONE. 2014; 9 : e88252

• Xiang K.
• Ужулуобу
• Peng Y.
• Yang Z.
• Zhang X.
• Cui C.
• Zhang H.
• Li M.
• Zhang Y.
• Bianba
• та ін.

Ідентифікація тибетсько-специфічної мутації в гіпоксичному гені EGLN1 та її внесок у високогірну адаптацію.

Mol. Biol. Evol. 2013; 30 : 1889-1898

• Xu S.
• Li S.
• Yang Y.
• Tan J.
• Lou H.
• Jin W.
• Yang L.
• Pan X.
• Wang J.
• Shen Y.
• та ін.

Геномний пошук сигналів висотної адаптації у тибетців.
Mol. Biol. Evol. 2011; 28 : 1003-1011

• Yang J.
• Jin Z.B.
• Chen J.
• Huang X.F.
• Li X.M.
• Liang Y.B.
• Mao J.Y.
• Chen X.
• Zheng Z.
• Bakshi A.
• та ін.

Генетичні ознаки високогірної адаптації у тибетців.
Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2017; 114 : 4189-4194

• Yi X.
• Liang Y.
• Huerta-Sanchez E.
• Jin X.
• Cuo Z.X.P.
• Pool J.E.
• Xu X.
• Jiang H.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• та ін.

Секвенування 50 екзосом людини виявляє адаптацію до високогір’я.
Наука. 2010; 329 : 75-78
) та інших високогірних популяцій (

• Beall C.M.

Andean, Tibetan, and Ethiopian patterns of adaptation to high altitude hypoxia.
Integr. Comp. Biol. 2006; 46 : 18-24

) дозволило по-новому поглянути на фізіологію гіпоксії з широким спектром наслідків у медичних галузях (

• Grocott M.
• Richardson A.
• Montgomery H.
• Mythen M.

Caudwell Xtreme Everest: польове дослідження адаптації людини до гіпоксії.
Crit. Care. 2007; 11 : 151

• Oosthuyse B.
• Moons L.
• Storkebaum E.
• Beck H.
• Nuyens D.
• Brusselmans K.
• Van Dorpe J.
• Хеллінгс П.
• Gorselink M.
• Heymans S.
• та ін.

Видалення елемента відповіді на гіпоксію в промоторі судинного ендотеліального фактора росту спричиняє дегенерацію мотонейронів.

Nat. Genet. 2001; 28 : 131-138

• Rankin E.B.
• Giaccia A.J.

Роль гіпоксія-індукованих факторів у пухлиногенезі.
Cell Death Differ. 2008; 15 : 678-685

• Talks K.L.
• Turley H.
• Gatter K.C.
• Maxwell P.H.
• Pugh C.W.
• Ratcliffe P.J.
• Harris A.L.

Експресія та розподіл гіпоксія-індукованих факторів HIF-1alpha та HIF-2alpha в нормальних тканинах людини, раку та пухлинно-асоційованих макрофагах.

Am. J. Pathol. 2000; 157 : 411-421

• Zhong H.
• De Marzo A.M.
• Laughner E.
• Lim M.
• Hilton D.A.
• Загзаг Д.
• Buechler P.
• Isaacs W.B.
• Semenza G.L.
• Simons J.W.

Гіперекспресія гіпоксія-індукованого фактора 1 альфа в поширених видах раку людини та їх метастазах.
Cancer Res. 1999; 59 : 5830-5835
), включаючи інтенсивну терапію (

• McKenna H.
• Martin D.

Переживання фізіологічного стресу: Can insights into human adaptation to austere environments be applied to the critical care unit?

Trends Anaesthesia Crit. Care. 2016; 11 : 6-13
) та пухлиногенезу (

• Rankin E.B.
• Giaccia A.J.

Роль гіпоксія-індукованих факторів у пухлиногенезі.
Cell Death Differ. 2008; 15 : 678-685

). Іншою можливою системою адаптації людини до екстремальних умов, що має значення для дослідження гіпоксії, є система людей, які займаються дайвінгом на затримці дихання.

Народ баджау, який часто називають морськими кочівниками, жив повністю залежним від моря існуванням, подорожуючи морями Південно-Східної Азії на плавучих будинках протягом більше 1,000 років (

• Sather C.

The Bajau Laut: Adaptation, History, and Fate in a Maritime Fishing Society of South-Eastern Sabah.
Oxford University Press, 1997

). Їхнє існування як морських мисливців-збирачів значною мірою залежить від їжі, яку вони збирають шляхом вільного пірнання. Вони відомі своїми надзвичайними здібностями, занурюючись на глибину понад 70 м, не маючи нічого, окрім набору гир і пари дерев’яних окулярів (

• Шагатай Е.

Здатність людини до пірнання на затримці дихання і фізіологія, що лежить в її основі.
Hum. Evol. 2014; 29 : 125-140
) і проводять 60% свого щоденного робочого часу під водою (

• Шагатай Е.
• Lodin-Sundström A.
• Abrahamsson E.

Підводний робочий час у двох групах традиційних апное-дайверів в Азії: Ama і Bajau.
Diving Hyperb. Med. 2011; 41 : 27-30

). Унікальний спосіб життя баджау спирається на ряд культурних особливостей і технічних інновацій, але також може бути обумовлений фізіологічними адаптаціями до занурень і гіпоксії, викликаної зануренням (

• Clifton J.
• Majors C.

Culture, conservation, and conflict: perspectives on marine protection among the Bajau of Southeast Asia.

Soc. Nat. Resour. 2012; 25 : 716-725

• Sopher D.E.

Морські кочівники: Дослідження про морські човнові народи Південно-Східної Азії.
National Museum, 1965

). Люди, як і інші ссавці, що пірнають, мають реакцію на занурення, індуковану апное та зануренням обличчя в холодну воду (

• Thornton S.J.
• Hochachka P.W.

Кисень і морський котик.
Undersea Hyperb. Med. 2004; 31 : 81-95

• Стерба Я.А.
• Lundgren C.E.

Тривалість затримки дихання у людини та реакція на занурення, викликана зануренням обличчям.
Undersea Biomed. Res. 1988; 15 : 361-375
). Фізіологічні ефекти цієї реакції включають брадикардію, яка знижує споживання кисню (

• Elsner R.
• Franklin D.L.
• Van Citters R.L.
• Kenney D.W.

Серцево-судинний захист від асфіксії.
Наука. 1966; 153 : 941-949

• Ferrigno M.
• Ferretti G.
• Ellis A.
• Warkander D.
• Коста М.
• Cerretelli P.
• Lundgren C.E.

Серцево-судинні зміни під час глибоких занурень на затримці дихання в барокамері.
J. Appl. Physiol. 1997; 83 : 1282-1290

• Kooyman G.L.
• Campbell W.B.

Частота серцевих скорочень у вільно пірнаючих тюленів Ведделла, Leptonychotes weddelli.
Comp. Biochem. Фізіол. A. 1972; 43 : 31-36

• Lin Y.C.
• Matsuura D.T.
• Whittow G.C.

Дихальна варіація частоти серцевих скорочень у каліфорнійського морського лева.
Am. J. Physiol. 1972; 222 : 260-264

• Lin Y.C.
• Shida K.K.
• Hong S.K.

Вплив гіперкапнії, гіпоксії та респіраторного дихання на циркуляторну відповідь на апное.
J. Appl. Physiol. 1983; 54 : 172-177

); периферичної вазоконстрикції, яка вибірково перерозподіляє кровотік до органів, найбільш чутливих до гіпоксії (

• Lin Y.C.
• Shida K.K.
• Hong S.K.

Вплив гіперкапнії, гіпоксії та респіраторного дихання на циркуляторну відповідь на апное.
J. Appl. Physiol. 1983; 54 : 172-177

• Zapol W.M.
• Liggins G.C.
• Schneider R.C.
• Qvist J.
• Snider M.T.
• Creasy R.K.
• Hochachka P.W.

Регіонарний кровотік при симульованому зануренні у притомного тюленя Ведделла.
J. Appl. Physiol. 1979; 47 : 968-973

); і скорочення селезінки, яка впорскує в систему кровообігу запас насичених киснем еритроцитів (

• Hurford W.E.
• Hochachka P.W.
• Schneider R.C.
• Guyton G.P.
• Stanek K.S.
• Zapol D.G.
• Liggins G.C.
• Zapol W.M.

Скорочення селезінки, виділення катехоламінів та перерозподіл об’єму крові під час пірнання у тюленя Ведделла.

J. Приклад. фізіол. 1996; 80 : 298-306

• Stewart I.B.
• McKenzie D.C.

Селезінка людини при фізіологічному стресі.
Спортивна медицина. 2002; 32 : 361-369

Скорочення селезінки як компонент реакції людини на занурення вперше спостерігалося у ама – групи японських мисливців за перлами (

• Hurford W.E.
• Hong S.K.
• Park Y.S.
• Ahn D.W.
• Shiraki K.
• Mohri M.
• Zapol W.M.

Скорочення селезінки під час пірнання на затримці дихання у корейських амазонок.
J. Appl. Physiol. 1990; 69 : 932-936
) та індукується катехоламін-опосередкованою відповіддю альфа-2 адренорецепторів (

• Foster G.E.
• Sheel A.W.

The human diving response, its function, and its control.
Scand. J. Med. Sci. Sports. 2005; 15 : 3-12

). За одне скорочення викидається ∼160 мл еритроцитів, що викликає підвищення гемоглобіну, яке відповідає збільшенню вмісту кисню на 2,8-9,6 % (

• Stewart I.B.
• McKenzie D.C.

Селезінка людини при фізіологічному стресі.
Спортивна медицина. 2002; 32 : 361-369

). Тому була висунута гіпотеза, що метою цього скорочення є забезпечення кисневого підживлення, що подовжує час занурення (

• Hochachka P.W.

Балансування суперечливих метаболічних вимог фізичних навантажень і занурень.
Fed. Proc. 1986; 45 : 2948-2952

). У дослідженні видів тюленів, що пірнають, спостерігалася позитивна кореляція між максимальним часом занурення і масою селезінки (

• Mottishaw P.D.
• Thornton S.J.
• Hochachka P.W.

Механізм реакції пірнання і його дивовижний еволюційний шлях у тюленів і морських левів.
Am. Zool. 1999; 39 : 434-450

), що свідчить про те, що розмір селезінки може бути важливою ознакою, яка впливає на час занурення. Однак, взаємозв’язок між розміром селезінки та здатністю до занурення ніколи раніше не досліджувався на генетичному рівні. Насправді, про генетичну основу реакції на занурення у людини відомо дуже мало: тільки одне дослідження коли-небудь стверджувало, що показує генетичний варіант, який безпосередньо впливає на реакцію на занурення (

• Baranova T.I.
• Berlov D.N.
• Глотов О.С.
• Корф Е.А.
• Мінігалін А.Д.
• Митрофанова А.В.
• Ахметов І.І.
• Глотов О.С.

Генетична детермінація судинних реакцій у людини у відповідь на рефлекс пірнання.
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2017; 312 : H622-H631

). У цьому дослідженні було припущено, що брадикініновий рецептор В2 (BDKRB2), сигнальний пептид, пов’язаний як з вазодилатацією, так і з вазоконстрикцією, впливає на периферичну вазоконстрикцію, індуковану реакцією пірнання (

• Baranova T.I.
• Berlov D.N.
• Глотов О.С.
• Корф Е.А.
• Мінігалін А.Д.
• Митрофанова А.В.
• Ахметов І.І.
• Глотов О.С.

Генетична детермінація судинних реакцій у людини у відповідь на рефлекс пірнання.
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2017; 312 : H622-H631

Достеменно невідомо, чи є морські кочівники генетично пристосованими до свого екстремального способу життя. Єдина риса, яка була досліджена в популяціях, що ведуть спосіб життя, залежний від дайвінгу, – це чудовий підводний зір у дітей тайських морських кочівників (

• Gislén A.
• Dacke M.
• Kröger R.H.
• Abrahamsson M.
• Нільссон Д.-Е.
• Warrant E.J.

Вищий підводний зір у людській популяції морських циган.
Curr. Biol. 2003; 13 : 833-836

). Однак пізніше було показано, що це була пластична відповідь на тренування шляхом повторних занурень, відтворена в європейській когорті (

• Gislén A.
• Warrant E.J.
• Dacke M.
• Kröger R.H.

Візуальне тренування покращує підводний зір у дітей.
Vision Res. 2006; 46 : 3443-3450

). Тут ми використовували двосторонній підхід для вирішення питання про потенційні генетичні адаптації у баджау. По-перше, ми провели сканування їх геномів на наявність ознак відбору, щоб виявити гени, які були унікальною мішенню природного відбору у баджау. По-друге, ми дослідили, чи пов’язаний якийсь із локусів-кандидатів з розміром селезінки, однією з найбільш релевантних ознак-кандидатів для адаптації до вільного пірнання та толерантності до гіпоксії.

Результати

Різниця в розмірах селезінки у бахау

Спочатку ми вирішили визначити, чи є докази того, що баджау мають більшу селезінку, ніж їхні близькі географічні сусіди, салуани, які мінімально взаємодіють з морським середовищем. Ми обрали два приморських села на відстані близько 25 км одне від одного в центральній частині півострова Сулавесі в Індонезії: Джайя Бакті та Койоан, які переважно населені етнічними групами баджау та салуан, відповідно. Для участі в дослідженні було відібрано 59 осіб баджау та 34 особи салуанів, у кожного з яких ми взяли зразки слини для аналізу ДНК та вимірювання селезінки за допомогою портативного ультразвукового апарату. Було встановлено, що 16 осіб баджау та 1 салуан були тісно пов’язані з іншими особами з їхніх відповідних громад на основі генетичних даних. Ці особини були виключені з усіх подальших аналізів, оскільки більшість з них ґрунтується на припущенні, що аналізовані особини не є тісно пов’язаними між собою. Ми проводили ультразвукові вимірювання в двох площинах таким чином, щоб мати можливість розрахувати об’єми селезінки згідно з методикою, викладеною в

• Yetter E.M.
• Acosta K.B.
• Olson M.C.
• Blundell K.

Estimating splenic volume: sonographic measurements correlated with helical CT determination.
AJR Am. J. Roentgenol. 2003; 181 : 1615-1620

що найкраще корелює з об’ємами, отриманими за допомогою комп’ютерної томографії (КТ). Ми використали ці вимірювання для порівняння розмірів селезінки в двох популяціях, виявивши чітку візуальну різницю, причому середній розмір селезінки був вищим серед баджау (рис. 1). Ця різниця була статистично значущою (t-критерій Велша для двох вибірок, p = 3,538e-07). Примітно, що ця різниця не є значущою при порівнянні баджау, які пірнають, з баджау, які не пірнають (p = 0,2663), що свідчить про те, що різниця між баджау та салуанами не просто зумовлена тим, що більша кількість особин баджау є пірнальниками. Однак на результати тесту можуть впливати інші фактори, крім того, чи є особини дайверами (див. Методи STAR та Рисунок S1 для отримання більш детальної інформації). Тому ми також перевірили різницю в розмірах селезінки між баджау та салуанами, використовуючи лінійну модель, яка дозволила нам врахувати додаткові фактори. Зокрема, ми включили стать, вік, вагу, зріст і те, чи є особини дайверами, як коваріанти. Результати цього тесту також показали, що баджау мають значно більшу селезінку, ніж салуан, навіть при корекції декількох потенційно заплутаних факторів (p = 0,0438, β = 44,40, SE 21,62, див. STAR Methods для отримання більш детальної інформації). Ці результати свідчать про фізіологічну різницю між баджау та салуаном, яка не пояснюється виключно пластичною реакцією селезінки на пірнання. Хоча інші невідомі фактори навколишнього середовища потенційно можуть пояснити спостережувану різницю між групами, генетичні фактори залишаються можливою причиною.

Демографічний аналіз популяції

Далі ми згенерували дані низькоглибинного повногеномного секвенування для тих самих особин баджау та салуанів та проаналізували дані за допомогою методів, які враховують невизначеність генотипу, працюючи безпосередньо над ймовірностями генотипів (

• Cheng J.Y.
• Mailund T.
• Nielsen R.

Ohana, a tool set for population genetic analyses of admixture components.
bioRxiv. 2016;

• Korneliussen T.S.
• Albrechtsen A.
• Nielsen R.

ANGSD: аналіз даних секвенування наступного покоління.
Біоінформатика БМК. 2014; 15 : 356

• Skotte L.
• Korneliussen T.S.
• Albrechtsen A.

Асоціативне тестування даних секвенування наступного покоління з використанням бальної статистики.
Genet. Епідеміол. 2012; 36 : 430-437

). З метою популяційно-генетичного аналізу ми об’єднали ці дані з даними Паназіатського геномного проекту (

• Ngamphiw C.
• Assawamakin A.
• Xu S.
• Shaw P.J.
• Yang J.O.
• Ghang H.
• Bhak J.
• Лю Е.
• Tongsima S.

HUGO Pan-Asian SNP Consortium PanSNPdb: Паназіатська база даних генотипування SNP.
PLoS ONE. 2011; 6 : e21451

) (описана в STAR Methods). Ця панель містить осіб з різних паназіатських популяцій, але з обмеженою кількістю SNP (∼50 тис.).

Ми провели аналіз головних компонент (PC), який показав, що баджау генетично ближчі до салуанів, ніж до більшості інших азіатських популяцій, за винятком їхніх географічних сусідів (наприклад, тораджа), які також живуть на острові Сулавесі (рис. 2). У популяціях, найближчих до Баджау і Салуан, ми спостерігаємо градієнт від меланезійських до австронезійських предків, причому меланезійський компонент зростає, що пов’язано з більшою географічною близькістю до Меланезії.

• Lipson M.
• Loh P.-R.
• Patterson N.
• Moorjani P.
• Ko Y.-C.
• Стоункінг М.
• Berger B.
• Райх Д.

Реконструкція історії австронезійського населення в острівній Південно-Східній Азії.
Nat. Commun. 2014; 5 : 4689

suggested that the ancestral components of most of these populations could be modeled as an admixture between speakers of different language strata and substrata more than 1,000 years ago. Combined with our results, it seems that one of the main drivers of differentiation between the Bajau and the Saluan, indicated by the Bajau’s separation in the direction of the Manggarai Rampasasa population, could be an increased Austro-Asiatic component (discussed further in STAR Methods with additional results in Figures S2 and S3). This component can also be seen in admixture analyses, present at varying levels throughout the Bajau individuals when K >7 як компонент лососевого забарвлення (рис. 3, повний аналіз домішок див. на рис. S4), який набагато менш поширений у особин салуанів. Потім ми змоделювали спільний розподіл частот алелів за компонентами походження як багатовимірний гауссівський, подібно до моделей у TREEMIX (

• Pickrell J.K.
• Pritchard J.K.

Inference of population splits and mixtures from genome-wide allele frequency data.
PLoS Genet. 2012; 8 : e1002967
) та Bayenv (

• Günther T.
• Coop G.

Надійна ідентифікація локальної адаптації за частотами алелів.
Генетика. 2013; 195 : 205-220

). Виходячи з цього, ми оцінили дерево популяції, найбільш сумісне з виведеною коваріаційною матрицею для K = 19, де Bajau та Saluan отримують кожен свій унікальний компонент (див. Рисунок 3, деталі щодо процедур виведення в

• Cheng J.Y.
• Mailund T.
• Nielsen R.

Ohana, a tool set for population genetic analyses of admixture components.
bioRxiv. 2016;

Ми оцінили спільну демографічну історію, включаючи час дивергенції, популяцій баджау і салуан за допомогою програми fastsimcoal2 (

• Excoffier L.
• Dupanloup I.
• Huerta-Sánchez E.
• Sousa V.C.
• Foll M.

Надійні демографічні висновки на основі геномних та SNP даних.
PLoS Genetics. 2013; 9

). Цей метод оптимізує комбіновану ймовірність спостережуваного спільного спектру місцезнаходження-частоти (СМЧ) у високорозмірному просторі можливих демографічних моделей. Ми припускаємо, що ці дві популяції розійшлися від предкової популяції, а потім зазнали експоненціального скорочення або зростання і міграції між двома популяціями (можливо, з асиметричною швидкістю) до теперішнього часу. Ми знайшли модель, сумісну з даними, яка має час дивергенції ∼16 тис. років, з подальшою високою міграцією з Баджау до Салуану і низькою міграцією з Салуану до Баджау (детальніше див. STAR Methods). Ми зазначаємо, що оцінка в 16 тис. років може відображати дивергенцію давніх домішкових компонентів, які в різних пропорціях поділяли між собою салуанці та баджау, подібно до того, як, наприклад, європейські популяції є тісно пов’язаними між собою, але відрізняються за часткою давніх домішкових компонентів.

Селекційне сканування

Результати наших популяційно-генетичних аналізів свідчать про те, що для виявлення позитивного відбору, специфічного для баджау, було б доцільно провести селекційне сканування, порівнюючи баджау і салуан з більш дивергентною групою населення в якості аутгрупи, наприклад, з ханьцями. Оскільки наші дані мають відносно низьке покриття (в середньому 5×) і через відсутність хороших референтних панелей гаплотипів для баджау, обчислювальна фазифікація гаплотипів для наших даних, ймовірно, буде ненадійною. Крім того, попередні дослідження показали, що методи, засновані на локальних патернах диференціації частот алелів, є дуже потужними для виявлення локальної адаптації (

• Fumagalli M.
• Moltke I.
• Grarup N.
• Racimo F.
• Bjerregaard P.
• Jørgensen M.E.
• Korneliussen T.S.
• Gerbault P.
• Skotte L.
• Ліннеберг А.
• та ін.

Гренландські інуїти демонструють генетичні ознаки дієтичної та кліматичної адаптації.
Science. 2015; 349 : 1343-1347

• Yi X.
• Liang Y.
• Huerta-Sanchez E.
• Jin X.
• Cuo Z.X.P.
• Pool J.E.
• Xu X.
• Jiang H.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• та ін.

Секвенування 50 екзосом людини виявляє адаптацію до високогір’я.
Наука. 2010; 329 : 75-78

). Тому ми об’єднали наші дані секвенування Bajau і Saluan з геномами ханьців з проекту 1000 Genomes Project (

• Auton A.
• Brooks L.D.
• Durbin R.M.
• Garrison E.P.
• Kang H.M.
• Korbel J.O.
• Marchini J.L.
• McCarthy S.
• McVean G.A.
• Abecasis G.R.

Консорціум проекту “1000 геномів” Глобальний довідник генетичної мінливості людини.
Nature. 2015; 526 : 68-74

) та виконали сканування селекції по всьому геному з використанням нового методу виявлення локальної селекції, подібного до PBS-статистики (

• Yi X.
• Liang Y.
• Huerta-Sanchez E.
• Jin X.
• Cuo Z.X.P.
• Pool J.E.
• Xu X.
• Jiang H.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• та ін.

Секвенування 50 екзосом людини виявляє адаптацію до високогір’я.
Наука. 2010; 329 : 75-78

), але на основі моделі явної ймовірності та з поправкою на домішки та різні предкові компоненти (

• Cheng J.Y.
• Mailund T.
• Nielsen R.

Ohana, a tool set for population genetic analyses of admixture components.
bioRxiv. 2016;
). Програма “selscan”, що входить до складу програмного комплексу Ohana (

• Cheng J.Y.
• Mailund T.
• Nielsen R.

Ohana, a tool set for population genetic analyses of admixture components.
bioRxiv. 2016;

) дозволив виявити SNPs, які сильно відхиляються у баджау від загальногеномної коваріаційної структури за допомогою тесту відношення правдоподібності. Для кожного SNP ми ввели скалярну змінну, яку помножили на дисперсію, пов’язану з популяцією баджау. Це дозволило створити дві вкладені моделі ймовірності: одну, яка припускає, що зміна частоти алеля, специфічного для баджау, може бути передбачена на основі загальногеномної коваріаційної структури, і одну, яка допускає більшу зміну в баджау (і, отже, більшу дисперсію компонента баджау), ніж очікується на основі загальногеномної моделі. Отриманий в результаті тест відношення правдоподібності був використаний для визначення локусів, в яких Bajau зазнав більшої, ніж очікувалося, зміни частоти алелів порівняно з прогнозом на основі загальногеномної картини, що є ознакою відбору (див. Методи STAR і Рисунок S5 для більш детальної інформації).

Ми відзначаємо, що селекційні сканування з подібним дизайном і такими ж малими розмірами вибірки були успішними у виявленні варіантів, що лежать в основі важливих фізіологічних адаптацій в інших людських популяціях, таких як інуїти (

• Fumagalli M.
• Moltke I.
• Grarup N.
• Racimo F.
• Bjerregaard P.
• Jørgensen M.E.
• Korneliussen T.S.
• Gerbault P.
• Skotte L.
• Ліннеберг А.
• та ін.

Гренландські інуїти демонструють генетичні ознаки дієтичної та кліматичної адаптації.
Science. 2015; 349 : 1343-1347
) та тибетців (

• Yi X.
• Liang Y.
• Huerta-Sanchez E.
• Jin X.
• Cuo Z.X.P.
• Pool J.E.
• Xu X.
• Jiang H.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• та ін.

Секвенування 50 екзосом людини виявляє адаптацію до високогір’я.
Наука. 2010; 329 : 75-78

). У той час як дослідження асоціацій у всьому геномі (GWAS) повинні робити поправку на тестування у всіх ділянках геному, сила використання природного відбору для з’ясування функції полягає в тому, що тільки ті ділянки, які були визначені в результаті селекційного сканування, тестуються на фенотипічні асоціації, тим самим полегшуючи тягар багаторазового тестування.

Примітно, що лідером нашого селекційного сканування (табл. 1) є SNP rs7158863, розташований безпосередньо перед BDKRB2, єдиним геном, який, як припускають, пов’язаний з реакцією пірнання у людини (

• Baranova T.I.
• Berlov D.N.
• Глотов О.С.
• Корф Е.А.
• Мінігалін А.Д.
• Митрофанова А.В.
• Ахметов І.І.
• Глотов О.С.

Генетична детермінація судинних реакцій у людини у відповідь на рефлекс пірнання.
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2017; 312 : H622-H631

). Вважається, що генетична варіація цього гена пов’язана з підвищеним звуженням периферичних судин, що сприяє переважному насиченню киснем важливих тканин, таких як мозок, серце та легені, тим самим потенційно збільшуючи час занурення. Цей результат переконливо свідчить про те, що генетична варіація гавані Баджау, на яку була спрямована селекція, пов’язана з фенотипами, важливими для дайвінгу.

Таблиця 1 25 найкращих SNP-кандидатів за результатами селекційного сканування

chr	pos	rsid	Ген	Відношення LL	CADD Score	Асоціація p Значення
1	62249296	rs55870274	INADL	16.297	1.057	0.9525
1	77909616	rs3104465	AK5	15.061	0.892	0.5949
1	206325655	rs55944445	CTSE	17.487	4.756	0.5229
2	97627143	rs182631728	FAM178B	20.867	4.807	0.8554
2	98018288	rs192879353	x	17.746	4.086	0.8486
2	109634804	rs7568610	x	16.687	2.950	0.5461
2	116902921	rs62157649	x	18.585	0.622	0.6934
3	176151090	rs2971468	x	17.509	0.952	0.3095
5	132568207	rs186675869	FSTL4	15.672	4.232	0.2340
5	168553990	rs28544477	SLIT3	17.281	6.511	0.1376
6	31846450	rs117631350	x	18.447	4.358	0.1737
6	166066982	rs3008052	PDE10A	14.960	0.718	0.0003
7	5448302	rs10271391	TNRC18	15.301	1.193	0.0550
7	101787624	rs382934	CUX1	16.358	0.300	0.9665
8	54530665	rs7465617	x	17.865	5.583	0.0295
9	71927931	rs77280170	x	15.932	12.00	0.2562
10	18892382	rs7077786	NSUN6	20.050	1.042	0.6723
10	129682249	rs10765177	CLRN3	16.293	0.748	0.0064
14	78704596	rs10483896	x	17.681	22.80	0.4437
14	96563853	rs7158863	x	28.363	0.230	0.3766
15	82070184	rs118149708	x	16.625	9.838	0.3545
16	65173017	rs74847621	x	20.083	3.395	0.6385
17	848217	rs12936224	NXN	15.959	1.129	0.3151
19	13387904	rs16030	CACNA1A	16.156	8.527	0.4952
19	52144411	rs2167420	x	21.816	1.840	0.4598

LL ratio, лог-відношення ймовірності за результатами селекційного сканування для кожного SNP; CADD score, передбачувана деструктивність кожного SNP, передбачена комбінованим онлайн-інструментом анотаційно-залежного виснаження (за шкалою PHRED); значення p асоціації, значення p за результатами тестування на асоціацію з розміром селезінки з використанням глибини секвенування, зросту, ваги, віку, статі, дайвінгу та перших 5 ПК в якості коваріацій. Коли SNP потрапляє всередину генної області, відповідний ген перерахований.

Хоча деякі з сигналів відбору, унікально присутніх у баджау, можуть бути пов’язані з іншими факторами навколишнього середовища, такими як патогенні мікроорганізми, кілька інших найкращих збігів також припадають на гени-кандидати, пов’язані з ознаками, що можуть бути важливими для дайвінгу. Приклади включають FAM178B, який кодує білок, що утворює стабільний комплекс з карбоангідразою, основним ферментом, відповідальним за підтримку балансу вуглекислого газу/бікарбонату, тим самим допомагаючи підтримувати рН крові (і запобігаючи накопиченню вуглекислого газу) (

• Drew K.
• Lee C.
• Huizar R.L.
• Tu F.
• Borgeson B.
• McWhite C.D.
• Ma Y.
• Wallingford J.B.
• Marcotte E.M.

Інтеграція понад 9000 мас-спектрометричних експериментів створює глобальну карту білкових комплексів людини.

Mol. Syst. Biol. 2017; 13 : 932

); CACNA1A, який бере участь у регуляції вивільнення збудливого нейромедіатора глутамату (

• Catterall W.A.

Структура і функція нейронних Са2+ каналів та їх роль у вивільненні нейротрансмітерів.
Клітинний кальцій. 1998; 24 : 307-323
) та відповідь на гіпоксичні умови (

• Wang V.
• Davis D.A.
• Haque M.
• Huang L.E.
• Yarchoan R.

Диференціальна регуляція генів за допомогою індукованого гіпоксією фактора-1-альфа та індукованого гіпоксією фактора-2-альфа в клітинах HEK293T.

Cancer Res. 2005; 65 : 3299-3306

); та PDE10A, циклічної нуклеотидфосфодіестерази, що бере участь у регуляції скорочення гладких м’язів, у тому числі м’язів, що оточують селезінку (

• Exton J.H.

Molecular mechanisms involved in alpha-adrenergic responses.
Mol. Cell. Endocrinol. 1981; 23 : 233-264

Ми також оцінили функціональну важливість найкращих SNP-кандидатів за допомогою комбінованого інструменту анотаційно-залежного виснаження онлайн (CADD v1.3) (

• Kircher M.
• Witten D.M.
• Jain P.
• O’Roak B.J.
• Cooper G.M.
• Shendure J.

Загальна схема оцінки відносної патогенності генетичних варіантів людини.
Nat. Genet. 2014; 46 : 310-315

). Ми виявили, що деякі з них розташовані в регуляторних регіонах, включаючи провідний SNP CANA1A, який знаходиться у висококонсервативному положенні і лежить всередині сайту зв’язування транскрипційного фактора у відкритій ділянці хроматину (див. STAR Methods для отримання більш детальної інформації).

Дослідження сигналів адаптивної інтрогресії

Для того, щоб дослідити можливе походження відібраних алелів, ідентифікованих за допомогою нашого селекційного сканування, ми застосували статистику, чутливу до адаптивної інтрогресії (АІ) архаїчних людей. Ми застосували цю статистику на 100-кб вікнах геному з 20-кб перекриттям (

• Martin S.H.
• Davey J.W.
• Jiggins C.D.

Evaluating the use of ABBA-BABA statistics to locate introgressed loci.
Mol. Biol. Evol. 2015; 32 : 244-257

• Racimo F.
• Marnetto D.
• Huerta-Sánchez E.

Ознаки архаїчної адаптивної інтрогресії в сучасних людських популяціях.
Mol. Biol. Evol. 2017; 34 : 296-317
) з використанням максимальної правдоподібності популяційно-частотних оцінок, отриманих з ANGSD (

• Korneliussen T.S.
• Albrechtsen A.
• Nielsen R.

ANGSD: аналіз даних секвенування наступного покоління.
Біоінформатика БМК. 2014; 15 : 356
). Ми використовували йоруба (YRI) як неінтегровану аутгрупу та алтайського неандертальця (

• Prüfer K.
• Racimo F.
• Patterson N.
• Jay F.
• Sankararaman S.
• Сойєр С.
• Хайнце А.
• Рено Г.
• Sudmant P.H.
• де Філіппо К.
• та ін.

Повна послідовність геному неандертальця з Гірського Алтаю.
Nature. 2014; 505 : 43-49
) або денисованського (

• Meyer M.
• Kircher M.
• Gansauge M.T.
• Li H.
• Racimo F.
• Mallick S.
• Schraiber J.G.
• Jay F.
• Prüfer K.
• де Філіппо К.
• та ін.

Послідовність геному з високим покриттям від архаїчного денисованського індивіда.
Science. 2012; 338 : 222-226

) геномів як інтрогресуюче джерело. Ми протестували баджау як цільову популяцію, а також ханьців і салуанців для порівняння. Потім ми шукали перекриття між найкращими регіонами в цьому скануванні та найкращими кандидатами, визначеними в скануванні селекції Охана.

Ми виявили один регіон, що перекриває chr2: 97627143, який потрапляє в ген FAM178B, що потрапляє в 99% квантиль розподілу геному в цілому для f_D статистики (

• Martin S.H.
• Davey J.W.
• Jiggins C.D.

Evaluating the use of ABBA-BABA statistics to locate introgressed loci.
Mol. Biol. Evol. 2015; 32 : 244-257

). З розглянутих популяцій цей регіон виділяється виключно у Bajau, причому сигнал виявляється найсильнішим при використанні Denisova як джерела. Примітно, що цей регіон також був запропонований як кандидат для денисованської інтрогресії в океанічних популяціях

• Sankararaman S.
• Mallick S.
• Patterson N.
• Райх Д.

Комбінований ландшафт денисівського та неандертальського походження у сучасних людей.
Curr. Biol. 2016; 26 : 1241-1247

. Два додаткових регіони, що перекривають chr1:62249296 і chr2:116902921, також мали значення статистики Q95 і U20 (

• Racimo F.
• Marnetto D.
• Huerta-Sánchez E.

Ознаки архаїчної адаптивної інтрогресії в сучасних людських популяціях.
Mol. Biol. Evol. 2017; 34 : 296-317

), які знаходяться в 99% квантилі загальногеномного розподілу як для людини денисівської, так і для неандертальця. Однак, на відміну від області FAM178B, ці сигнали також присутні у ханьців та салуанців і, таким чином, не є специфічними для баджау. Примітно, що в PDE10A або BDKRB2 немає доказів архаїчної інтрогресії.

Тестування асоціацій

Щоб дослідити, чи пов’язані будь-які з 25 найкращих SNP з селекційного сканування Ohana з розміром селезінки, ми перевірили асоціацію за допомогою бального тесту, який враховує невизначеність генотипу, що притаманна даним низькоглибинного секвенування (

• Skotte L.
• Korneliussen T.S.
• Albrechtsen A.

Асоціативне тестування даних секвенування наступного покоління з використанням бальної статистики.
Genet. Епідеміол. 2012; 36 : 430-437

). У ці тести ми включили глибину секвенування, зріст, вагу, вік, стать, дайвінг і перші 5 ПК з аналізу PCA, який включав тільки тих осіб, які використовувалися в тесті в якості коваріатів (див. Методи STAR для отримання більш детальної інформації). Ми вирішили включити ПК, щоб скоригувати структуру популяції. Лише один SNP був достовірно пов’язаний з розміром селезінки на 5% рівні значущості з поправкою Бонферроні (0,002): rs3008052, розташований в гені фосфодіестерази 10А (PDE10A) (Таблиця 1). Слід зазначити, що асоціація за цим SNP є стійкою до ряду факторів, включаючи різні трансформації розмірів селезінки, а також додаткові поправки на структуру популяції, крім включення ПК в якості коваріатів (див. STAR Methods та Рис. S6). Ефект алеля, якому надавали перевагу в дослідженні Bajau, полягає у збільшенні розміру селезінки (Рис. 1; більш детально див. Методи STAR), і розмір ефекту є послідовним для всіх підвибірок даних і трансформацій (Рис. 4).

PDE10A кодує циклічну нуклеотидну фосфодіестеразу, яка може гідролізувати як цАМФ, так і цГМФ (

• Fujishige K.
• Kotera J.
• […]
• […]
• […]
• […]
• […]

[…]

[…] […] […] […]

). Регулюючи концентрацію циклічних нуклеотидів, він відіграє ключову роль у передачі сигналів, включаючи альфа-адренергічні реакції, такі як скорочення гладкої мускулатури, що оточує селезінку (

• Exton J.H.

Molecular mechanisms involved in alpha-adrenergic responses.
Mol. Cell. Endocrinol. 1981; 23 : 233-264

). Наш головний SNP, rs3008052, асоціюється з генетичними варіаціями, що впливають на експресію PDE10A (рис. 5). PDE10A найбільш високо експресується в нейронній тканині, але найсильніша асоціація для rs3008052 пов’язана з експресією в щитовидній залозі (p = 0,000016) (

• Lonsdale J.
• Thomas J.
• Salvatore M.
• Phillips R.
• Lo E.
• Шад С.
• Хаш Р.
• Уолтерс Г.
• Гарсія Ф.
• Young N.
• та ін.

Консорціум GTEx The Genotype-Tissue Expression (GTEx) project.
Nat. Genet. 2013; 45 : 580-585

), іншого органу з цАМФ-опосередкованим вивільненням гормонів. Тому найбільш вірогідним способом дії є збільшення розміру селезінки як наслідок підвищення рівня гормонів щитовидної залози.

PDE10A та розмір селезінки

Для подальшого дослідження способу дії PDE10A ми вивчили найкращі SNP, пов’язані з розміром селезінки, з даних Bajau в Глобальному біобанку даних (Global Biobank Engine, Стенфорд, Каліфорнія; https://biobankengine.stanford.edu/, жовтень 2017 р.). Цей механізм містить величезну кількість результатів асоціації “випадок-контроль”, отриманих на основі зведеної інформації про результати стаціонарного лікування, пов’язані зі здоров’ям у лікарнях Великобританії з Біобанку. На жаль, наш провідний SNP відсутній у цих даних, тому ми дослідили SNP з високим ступенем нерівноваги зв’язку (LD) з нашим SNP; три найбільш висококорельовані SNP в навколишньому регіоні 1-МБ (rs2983527, rs3008050 та rs3008049 зі значеннями r 2 0,8501, 0,6402 та 0,6140 відповідно). Ми виявили, що всі три SNP достовірно пов’язані з гіпотиреозом на 5% рівні значущості після корекції Бонферроні (p = 0,0017, p = 0,00011 і p = 0,0043), а алель, якому надається перевага в Bajau, призводить до зниження гіпотиреозу по всіх трьох SNP.

До теперішнього часу не було повідомлень про зв’язок між рівнями гормонів щитовидної залози (тироксину [Т4], який перетворюється в активну форму трийодтироніну [Т3]) і розміром селезінки у людей. Однак рівні гормонів щитовидної залози (ТТГ) були тісно пов’язані з розміром селезінки у мишей. У ряді досліджень вплив ТГ на розмір селезінки досліджувався через ген Pax8, який контролює вироблення фолікулів у щитовидній залозі, що розвивається. Pax8 -/- нокаутні миші, що демонстрували глибокий вроджений гіпотиреоз (майже повна відсутність Т4 і Т3), показували різке зменшення розмірів селезінки (

• Angelin-Duclos C.
• Domenget C.
• Kolbus A.
• Beug H.
• Jurdic P.
• Samarut J.

Тиреоїдний гормон Т3, що діє через α-рецептор тиреотропного гормону, необхідний для реалізації еритропоезу в середовищі неонатальної селезінки миші.

Розвиток. 2005; 132 : 925-934

• Flamant F.
• Poguet A.L.
• Plateroti M.
• Chassande O.
• Gauthier K.
• Streichenberger N.
• Mansouri A.
• Samarut J.

Вроджений гіпотиреоз Pax8(-/-) мутантних мишей можна врятувати шляхом інактивації гена TRalpha.
Mol. Endocrinol. 2002; 16 : 24-32

). Цікаво, що фенотип малої селезінки виявився частково оборотним при введенні ТГ (

• Angelin-Duclos C.
• Domenget C.
• Kolbus A.
• Beug H.
• Jurdic P.
• Samarut J.

Тиреоїдний гормон Т3, що діє через α-рецептор тиреотропного гормону, необхідний для реалізації еритропоезу в середовищі неонатальної селезінки миші.

Розвиток. 2005; 132 : 925-934

). На підтвердження зв’язку між ТТГ і розміром селезінки у мишей, які отримували Т4 для штучної індукції гіпертироксинемії, спостерігалося значне збільшення маси селезінки протягом періодів 8 і 32 тижнів (p < 0.001 for both time periods) (

• Watanabe K.
• Iwatani Y.
• Hidaka Y.
• Watanabe M.
• Amino N.

Віддалені ефекти тиреотропного гормону на субпопуляції лімфоцитів у селезінці та тимусі мишей.
Ендокрин. J. 1995; 42 : 661-668

Для подальшої перевірки гіпотези про зв’язок між обраними SNP в PDE10A та рівнем тиреоїдних гормонів ми звернулися до когорти 500-FG з проекту “Функціональна геноміка людини” (Human Functional Genomics Project) (

• ter Horst R.
• Jaeger M.
• Smeekens S.P.
• Oosting M.
• Swertz M.A.
• Li Y.
• Kumar V.
• Diavatopoulos D.A.
• Jansen A.F.M.
• Lemmers H.
• та ін.

Фактори хазяїна та навколишнього середовища, що впливають на індивідуальні цитокінові відповіді людини.
Клітина. 2016; 167 : 1111-1124

), яка була генотипована за допомогою SNP-чіпа (Illumina HumanOmniExpressExome-8 v1.0) і для якої були виміряні концентрації Т4 і тиреотропного гормону (ТТГ) (див. STAR Methods для більш детальної інформації). Ми відзначаємо, що ця когорта походить з європейської популяції, яка сильно відрізняється від баджау, з потенційно іншою структурою гаплотипів, і тому валідація в цій когорті може бути складною. Тим не менш, ми перевірили асоціацію за допомогою методу лінійної регресії, реалізованого в пакеті Matrix eQTL R (

• Шабалин А.А.

Matrix eQTL: надшвидкий eQTL-аналіз за допомогою операцій з великими матрицями.
Біоінформатика. 2012; 28 : 1353-1358

). Метод був застосований до імпліцитних даних “дозування” SNP, де при імпутації генотипи не називаються дискретно, а натомість отримують значення від 0 до 2 у кожної особини. Особи, які були родичами або мали неєвропейське походження, були видалені, а тести були скориговані на вік, стать, ІМТ та використання оральних контрацептивів шляхом включення цих факторів в якості коваріатів. Ми досліджували чотири SNP: провідний SNP, rs3008052, і три інші SNP з високим рівнем LD у європейців з rs3008052 (rs2983527, rs3008050 і rs3008049). Всі ці SNP мають значні асоціації з гіпотиреозом за даними Global Biobank Engine. Для верхнього SNP PDE10A, rs3008052, ми виявили чітку, значущу асоціацію (p = 0,0017), причому алель з більш високою частотою в Bajau асоціюється з підвищеною концентрацією Т4 в циркулюючій плазмі. Ми також виявили значущі асоціації у SNPs з високою частотою LD, а також негативні асоціації з концентрацією ТТГ (див. Рис. S7). Негативна кореляція між асоціаціями з концентраціями Т4 і ТТГ очікувана через добре відомий негативний зворотний зв’язок між Т4 і ТТГ.

Немає досліджень GWAS розміру селезінки, проведених у будь-яких інших популяціях, які б дозволили безпосередньо підтвердити зв’язок з розміром селезінки. Однак МРТ органів черевної порожнини було проведено в дослідженні для оцінки частоти стеатозу печінки в когорті 300-OB (див. Методи STAR для отримання детальної інформації про цю когорту). Ми змогли оцінити розміри селезінки осіб цієї когорти на основі МРТ-зображень і перевірили асоціацію розмірів селезінки з тими ж чотирма SNP, які використовувалися в тесті на асоціацію з Т4. Ми не обов’язково повинні очікувати асоціації в цій когорті через її різний генетичний фон, але rs3008050 і rs3008049 були незначно пов’язані з розміром селезінки, що відповідає асоціації, виявленій у Bajau, зі значеннями p на межі значущості (p = 0,05083 і p = 0,06493). На жаль, rs3008050 не був присутній в даних Bajau. Однак, rs3008049 присутній і має високозначущий зв’язок з розміром селезінки (p = 0,00043) в Bajau. Об’єднане значення p з двох досліджень (з використанням методу Фішера) для rs3008049 становить 2,79e-05, що надає переконливі докази асоціації з розміром селезінки в регіоні з ознаками природного відбору в PDE10A. Навіть після поправки Бонферроні на той факт, що ми досліджували два SNP з перекриттям між двома наборами даних (rs3008052 і rs3008049), а початковий скринінг був заснований на 25 SNP в 25 генах, результати залишаються значущими (p = 0,00073).

Еволюційна історія обраних локусів

SNP rs3008049, який був об’єктом селекції у баджау, також має широке географічне розповсюдження. Хоча він зустрічається з високою частотою у баджау (37,1%), він також сегрегує з помітною частотою як у салуанців (6,7%), так і у ханьців (3,0%). Повсюдне поширення цього SNP з певною частотою в цих популяціях дозволяє припустити, що відбір міг відбутися, коли rs3008049 був постійним варіантом і нейтрально сегрегував у всіх цих популяціях до відбору в баджау. Для rs7158863, нашого головного хіта в селекційному скануванні, ми оцінюємо цей алель на рівні 18,3% у баджау та баджо.

Для того, щоб перевірити, чи спостережувані міжпопуляційні відмінності в частотах алелів зумовлені дрейфом або помилкою вибірки, а не селекцією, ми використали демографічну модель ізоляції з міграцією для моделювання еволюції нейтральних алелів під впливом селекції з постійного варіанту. Ми виявили, що ці відмінності в частотах малоймовірно пояснити дрейфом або помилкою вибірки (p< 0.001 and p < 0.024 for PDE10A and BDKRB2, respectively, see STAR Methods for details). We then tested the extent to which selection may have driven these allele frequency changes by quantifying the strength and timing of this potential selective event.

Для того, щоб явно підігнати модель добору на стоячій варіації до цих частот алелів, ми змоделювали траєкторії частот алелів за тією ж моделлю ізоляції з міграцією, варіюючи значення трьох параметрів: (1) s – коефіцієнт добору, (2) t – час, коли добір почав діяти на алель, і (3) f – частота алеля на момент дивергенції. Ми виявили, що алель PDE10A має різницю в частоті, сумісну з помірно сильним коефіцієнтом добору s = 0,005, що діє на стоячий варіант (f = 0,02), починаючи приблизно з моменту дивергенції (t = 15,4 тис. років) (рис. 6). Ці оцінки, які свідчать про поширення від постійного варіанту, узгоджуються з частотою алеля в панелях з ряду інших популяцій, таких як ханьці, чий розкол з баджау передував розколу баджау-салуанців. Ми також виявили, що алель BDKRB2 має різницю в частоті, сумісну з сильним коефіцієнтом відбору s = 0,01, що діє на низькочастотний варіант (f = 0,0001), який також починається приблизно в момент розбіжності (t = 15,4 kya). Важливо зазначити, що оскільки провідні варіанти можуть не бути причинними варіантами, це може вплинути на наші оцінки і змістити наші висновки в бік відбору з постійної варіації, а не з мутації de novo. Тому в якості додаткової перевірки ми дослідили ширину піків відношення правдоподібності для головного SNP в PDE10A та BDKRB2, розрахувавши відстань між двома найвіддаленішими SNP, які визначають область розгортки. Ми виявили, що ширина піків надзвичайно мала (5583 п.н. і 2825 п.н. відповідно), що є додатковим доказом того, що розгортка відбувається від постійної варіації.

Обговорення

У цьому дослідженні ми ідентифікували декілька генів-кандидатів на адаптацію до пірнання на затримці дихання у бахау. Ми детально дослідили один з генів-кандидатів, PDE10A, а решта залишаються перспективними мішенями для майбутніх досліджень.

В області PDEA10 ми виявили, що SNPs на піку селекційного сканування пов’язані з функцією щитовидної залози та розміром селезінки. Оскільки гормони щитовидної залози регулюють нормальний еритропоез під час раннього постнатального розвитку (

• Angelin-Duclos C.
• Domenget C.
• Kolbus A.
• Beug H.
• Jurdic P.
• Samarut J.

Тиреоїдний гормон Т3, що діє через α-рецептор тиреотропного гормону, необхідний для реалізації еритропоезу в середовищі неонатальної селезінки миші.

Розвиток. 2005; 132 : 925-934

), фенотип великої селезінки, що спостерігається у баджау, може свідчити про більший об’єм еритроцитарних клітин. Відібраний генотип може забезпечувати 2-кратну фенотипічну перевагу як збільшеної кількості оксигенованих клітин, так і більшого резервуару, в якому вони зберігаються. Крім того, більший розмір селезінки може бути просто вторинним ефектом збільшеного об’єму клітин. Незалежно від цього, фізіологічні зміни, що виникли в результаті, схоже, забезпечили функціональну адаптацію до умов гострої гіпоксії, характерної для занурення із затримкою дихання.

Більшість доказів свідчать про те, що адаптації, які ми спостерігаємо у баджау, походять від варіацій стояння. По-перше, варіанти-кандидати в генах, таких як PDE10A і BDKRB2, мають широке географічне поширення. Хоча ми, можливо, не ідентифікували причинно-наслідкові варіанти в цих генах, сигнали відбору, здається, не пов’язані з варіантами, характерними для баджау. Наші висновки на основі моделі також сумісні з відбором, що діє на постійну мінливість. Крім того, варіант у FAM178B може походити від адаптивної інтрогресії, можливо, від денисованців, тоді як варіанти PDE10A та BDKRB2, ймовірно, не мають такого походження.

В цілому, наші результати свідчать про те, що баджау зазнали унікальних адаптацій, пов’язаних з розміром селезінки та реакцією на занурення, додаючи нові приклади до списку чудових генетичних адаптацій, які людина пережила в недавній історії еволюції. Подібно до інших найбільш екстремальних адаптацій людини, таких як адаптація до дієти, пов’язаної зі скотарством (

• Ranciaro A.
• Campbell M.C.
• Hirbo J.B.
• Ko W.-Y.
• Froment A.
• Anagnostou P.
• Kotze M.J.
• Ibrahim M.
• Nyambo T.
• Omar S.A.
• Tishkoff S.A.

Генетичні витоки лактазної персистенції та поширення скотарства в Африці.
Am. J. Hum. Genet. 2014; 94 : 496-510
) або зрушеннями в екологічній доступності харчових ресурсів (

• Fumagalli M.
• Moltke I.
• Grarup N.
• Racimo F.
• Bjerregaard P.
• Jørgensen M.E.
• Korneliussen T.S.
• Gerbault P.
• Skotte L.
• Ліннеберг А.
• та ін.

Source: cell.com