Физиологические и генетические адаптации к дайвингу у морских кочевников

Кафедра внутренней медицины и Центр инфекционных заболеваний им. Радбоуда (RCI), Медицинский центр Университета Радбоуда, Неймеген 6525, Нидерланды Кафедра геномики и иммунорегуляции, Институт наук о жизни и медицине (LIMES), Боннский университет, Бонн 53115, Германия

Сухартини Салингкат
Аффилиации
Томпотика Лувук Банггай, Университет Томпотика, Лувук 94711, Индонезия
Сноски автора
12 Ведущий контакт
Расмус Нильсен
Переписка
Автор-корреспондент
12 Ведущий контакт
Аффилиации

Центр геогенетики, Университет Копенгагена, Копенгаген 1350, Дания Факультет интегративной биологии, Калифорнийский университет в Беркли, Беркли, Калифорния 94720, США

Эске Виллерслев
Переписка
Автор-корреспондент
Аффилиации

Центр геогенетики, Копенгагенский университет, Копенгаген 1350, Дания Факультет зоологии, Кембриджский университет, Кембридж, CB2 3EJ, Великобритания Wellcome Trust, Sanger Institute, Хинкстон CB10 1SA, Великобритания

Сноски автора
12 Ведущий контакт
Открытый архив DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.03.054

Основные моменты

Баджау, или “морские кочевники”, занимались нырянием на задержке дыхания в течение тысяч лет
Отбор увеличил размер селезенки баджау, обеспечив резервуар кислорода для ныряния.
Мы обнаружили свидетельства наличия дополнительных фенотипов, связанных с нырянием, под воздействием отбора.
Эти результаты имеют значение для исследования гипоксии, что является актуальной медицинской проблемой.

Резюме

Понимание физиологии и генетики устойчивости человека к гипоксии имеет важное медицинское значение, но до сих пор это явление исследовалось только в популяциях людей, находящихся на большой высоте. Другая система, которую еще предстоит изучить, – это люди, которые занимаются дайвингом на задержке дыхания. Коренные жители Юго-Восточной Азии народ баджау (“морские кочевники”) ведут натуральный образ жизни, основанный на нырянии с задержкой дыхания, и славятся своими экстраординарными способностями к задержке дыхания. Однако неизвестно, имеет ли это генетическую основу. Используя сравнительное геномное исследование, мы показали, что естественный отбор генетических вариантов в гене PDE10A увеличил размер селезенки у баджау, обеспечив им больший резервуар эритроцитов, насыщенных кислородом. Мы также обнаружили доказательства сильного отбора, специфичного для баджау, на BDKRB2, ген, влияющий на рефлекс ныряния человека. Таким образом, баджау и, возможно, другие популяции ныряльщиков предоставляют новую возможность для изучения адаптации человека к переносимости гипоксии.

Видеореферат

(mp4, (9.88 MB)

Графическая аннотация

Ключевые слова

Введение

Люди – единственные млекопитающие, которые колонизировали все самые экстремальные среды Земли, от высокогорных горных цепей до отдаленных островов Тихого океана. Фенотипические адаптации человека к экстремальным средам были предметом многочисленных исследований (

• Beall C.M.

Андские, тибетские и эфиопские модели адаптации к высотной гипоксии.
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.
• Цзян Х.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• et al.

Секвенирование 50 экзомов человека выявляет адаптацию к высокогорью.
Science. 2010; 329 : 75-78

), отчасти потому, что адаптированные к местным условиям популяции дают возможность изучать генетические и физиологические последствия возмущений окружающей среды. Например, исследования адаптации у жителей Тибета (

• Beall C.M.
• Cavalleri G.L.
• Deng L.
• Elston R.C.
• Gao Y.
• Найт Дж.
• Li C.
• Li J.C.
• Liang Y.
• McCormack M.
• et al.

Естественный отбор на EPAS1 (HIF2alpha), связанный с низкой концентрацией гемоглобина у тибетских горцев.

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

• Peng Y.
• Yang Z.
• Zhang H.
• Cui C.
• Ци X.
• Луо X.
• Тао X.
• Wu T.
• Ouzhuluobu
• Басанг
• et al.

Генетические вариации в тибетских популяциях и высотная адаптация в Гималаях.
Mol. Biol. Эвол. 2011; 28 : 1075-1081

• Simonson T.S.
• Yang Y.
• Huff C.D.
• Yun H.
• Qin G.
• Witherspoon D.J.
• Bai Z.
• Lorenzo F.R.
• Xing J.
• Jorde L.B.
• et al.

Генетические доказательства высотной адаптации в Тибете.
Наука. 2010; 329 : 72-75

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

Общие и уникальные сигналы высотной адаптации в географически различных тибетских популяциях.

PLoS ONE. 2014; 9 : e88252

• Xiang K.
• Ouzhuluobu
• Peng Y.
• Yang Z.
• Zhang X.
• Cui C.
• Zhang H.
• Ли М.
• Zhang Y.
• Бьянба
• et al.

Идентификация специфической для Тибета мутации в гипоксическом гене EGLN1 и ее вклад в высотную адаптацию.

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

• Xu S.
• Li S.
• Yang Y.
• Tan J.
• Lou H.
• Цзинь В.
• Yang L.
• Пан X.
• Wang J.
• Shen Y.
• et al.

Геномный поиск сигналов высотной адаптации у тибетцев.
Mol. Biol. Эвол. 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.
• et al.

Генетические признаки высотной адаптации у тибетцев.
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.
• Цзян Х.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• et al.

Секвенирование 50 экзомов человека выявляет адаптацию к высокогорью.
Science. 2010; 329 : 75-78
) и других высокогорных популяций (

• Beall C.M.

Андские, тибетские и эфиопские модели адаптации к высотной гипоксии.
Integr. Comp. Biol. 2006; 46 : 18-24

) позволило по-новому взглянуть на физиологию гипоксии с широким спектром последствий для медицины (

• Grocott M.
• Ричардсон А.
• Монтгомери Х.
• Mythen M.

Caudwell Xtreme Everest: полевое исследование адаптации человека к гипоксии.
Crit. Care. 2007; 11 : 151

• Oosthuyse B.
• Moons L.
• Storkebaum E.
• Beck H.
• Nuyens D.
• Брюссельманс К.
• Ван Дорп Дж.
• Хеллингс П.
• Gorselink M.
• Heymans S.
• et al.

Удаление элемента ответа на гипоксию в промоторе фактора роста эндотелия сосудов вызывает дегенерацию моторных нейронов.

Nat. Genet. 2001; 28 : 131-138

• Rankin E.B.
• Giaccia A.J.

Роль индуцибельных факторов гипоксии в опухолевом генезе.
Cell Death Differ. 2008; 15 : 678-685

• Talks K.L.
• Turley H.
• Гаттер К.К.
• Максвелл П.Х.
• Пью К.В.
• Рэтклифф П.Дж.
• Harris A.L.

Экспрессия и распределение индуцибельных факторов гипоксии HIF-1alpha и HIF-2alpha в нормальных тканях человека, раковых опухолях и опухоль-ассоциированных макрофагах.

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

• Zhong H.
• Де Марзо А.М.
• Laughner E.
• Лим М.
• Хилтон Д.А.
• Загзаг Д.
• Buechler P.
• Isaacs W.B.
• Semenza G.L.
• Simons J.W.

Сверхэкспрессия гипоксия-индуцибельного фактора 1альфа в распространенных видах рака человека и их метастазах.
Cancer Res. 1999; 59 : 5830-5835
), включая интенсивную терапию (

• McKenna H.
• Martin D.

Surviving physiological stress: Можно ли применить знания об адаптации человека к суровым условиям в отделении интенсивной терапии?

Trends Anaesthesia Crit. Care. 2016; 11 : 6-13
) и туморигенеза (

• Rankin E.B.
• Giaccia A.J.

Роль индуцибельных факторов гипоксии в опухолевом генезе.
Cell Death Differ. 2008; 15 : 678-685

). Другая возможная система адаптации человека к экстремальным условиям окружающей среды, имеющая значение для исследования гипоксии, – это система людей, занимающихся дайвингом на задержке дыхания.

Народ баджау, часто называемый морскими кочевниками, ведет полностью зависимый от моря образ жизни, путешествуя по морям Юго-Восточной Азии на домашних лодках более 1000 лет (

• Sather C.

The Bajau Laut: Адаптация, история и судьба в морском рыболовецком обществе юго-восточного Сабаха.
Oxford University Press, 1997

). Их существование морских охотников-собирателей в значительной степени зависит от пищи, которую они добывают с помощью свободного ныряния. Они известны своими необычными способностями, ныряя на глубину более 70 м с одними лишь грузами и деревянными очками (

• Schagatay E.

Способность человека нырять с задержкой дыхания и лежащая в ее основе физиология.
Hum. Evol. 2014; 29 : 125-140
) и проводят 60% своего ежедневного рабочего времени под водой (

• Schagatay E.
• Lodin-Sundström A.
• Abrahamsson E.

Время работы под водой в двух группах традиционных апноэ-дайверов в Азии: ама и баджау.
Diving Hyperb. Med. 2011; 41 : 27-30

). Уникальный образ жизни баджау опирается на ряд культурных особенностей и технических инноваций, но также может быть обусловлен физиологической адаптацией к дайвингу и гипоксии, вызванной погружением (

• Клифтон Дж.
• Majors C.

Культура, сохранение и конфликт: перспективы защиты моря среди баджау Юго-Восточной Азии.

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

• Sopher D.E.

The Sea Nomads: Исследование морских лодочников Юго-Восточной Азии.
Национальный музей, 1965 г.

). У людей, как и у других ныряющих млекопитающих, есть реакция ныряния, вызываемая апноэ и погружением лица в холодную воду (

• Thornton S.J.
• Hochachka P.W.

Кислород и ныряющий тюлень.
Undersea Hyperb. Med. 2004; 31 : 81-95

• Sterba J.A.
• Lundgren C.E.

Продолжительность задержки дыхания у человека и реакция на погружение, вызванная погружением лица.
Undersea Biomed. Res. 1988; 15 : 361-375
). Физиологические эффекты этой реакции включают брадикардию, которая снижает потребление кислорода (

• Elsner R.
• Франклин Д.Л.
• Van Citters R.L.
• Kenney D.W.

Сердечно-сосудистая защита от асфиксии.
Наука. 1966; 153 : 941-949

• Ферриньо М.
• Ферретти Г.
• Эллис А.
• Уоркандер Д.
• Коста М.
• Cerretelli P.
• Lundgren C.E.

Сердечно-сосудистые изменения во время глубоких погружений с задержкой дыхания в камере давления.
J. Прикладная физиология. 1997; 83 : 1282-1290

• Kooyman G.L.
• Campbell W.B.

Частота сердечных сокращений у свободно ныряющих тюленей Уэдделла, Leptonychotes weddelli.
Comp. Biochem. Physiol. A. 1972; 43 : 31-36

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

Респираторные изменения частоты сердечных сокращений у калифорнийского морского льва.
Am. J. Physiol. 1972; 222 : 260-264

• Lin Y.C.
• Shida K.K.
• Hong S.K.

Влияние гиперкапнии, гипоксии и повторного дыхания на циркуляторный ответ на апноэ.
J. Appl. Physiol. 1983; 54 : 172-177

); периферическая вазоконстрикция, которая избирательно перераспределяет кровоток к органам, наиболее чувствительным к гипоксии (

• Lin Y.C.
• Shida K.K.
• Hong S.K.

Влияние гиперкапнии, гипоксии и повторного дыхания на циркуляторный ответ на апноэ.
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.

Региональный кровоток во время симулированного погружения у сознательного тюленя Уэдделла.
J. Appl. Physiol. 1979; 47 : 968-973

); и сокращение селезенки, которая впрыскивает в кровеносную систему запас насыщенных кислородом эритроцитов (

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

Сокращение селезенки, выброс катехоламинов и перераспределение объема крови во время ныряния у тюленя Уэдделла.

J. Прикладная физиология. 1996; 80 : 298-306

• Стюарт И.Б.
• McKenzie D.C.

Селезенка человека во время физиологического стресса.
Sports Med. 2002; 32 : 361-369

Сокращение селезенки как компонент реакции человека при нырянии впервые было замечено у ама, группы японских ныряльщиков за жемчугом (

• Hurford W.E.
• Hong S.K.
• Park Y.S.
• Ан Д.В.
• Shiraki K.
• Мохри М.
• Zapol W.M.

Сокращение селезенки во время ныряния на задержке дыхания у корейской амы.
J. Appl. Physiol. 1990; 69 : 932-936
) и вызывается катехоламин-опосредованным альфа-2-адренорецепторным ответом (

• Foster G.E.
• Sheel A.W.

Реакция человека на погружение, ее функция и контроль.
Scand. J. Med. Scand. J. Med. Sci. Sports. 2005; 15 : 3-12

). Одно сокращение выбрасывает ∼160 мл эритроцитов, вызывая повышение гемоглобина, что соответствует увеличению содержания кислорода на 2,8-9,6% (

• Стюарт И.Б.
• McKenzie D.C.

Селезенка человека во время физиологического стресса.
Sports Med. 2002; 32 : 361-369

). Поэтому была выдвинута гипотеза, что целью этого сокращения является обеспечение кислородной подпитки, продлевающей время погружения (

• Hochachka P.W.

Балансирование противоречивых метаболических потребностей при физической нагрузке и нырянии.
Fed. Proc. 1986; 45 : 2948-2952

). В исследовании ныряющих видов тюленей наблюдалась положительная корреляция между максимальным временем ныряния и массой селезенки (

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

Механизм реакции ныряния и его удивительный эволюционный путь у тюленей и морских львов.
Am. Zool. 1999; 39 : 434-450

), что позволяет предположить, что размер селезенки может быть важным признаком, влияющим на время ныряния. Однако связь между размером селезенки и способностью нырять никогда ранее не исследовалась на генетическом уровне. На самом деле, о генетической основе реакции ныряния у людей известно очень мало: только в одном исследовании утверждалось, что существует генетический вариант, непосредственно влияющий на реакцию ныряния (

• Баранова Т.И.
• Берлов Д.Н.
• Глотов О.С.
• Корф Е.А.
• Минигалин А.Д.
• Митрофанова А.В.
• Ахметов И.И.
• Глотов А.С.

Генетическая детерминация сосудистых реакций у человека в ответ на водолазный рефлекс.
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2017; 312 : H622-H631

). Было предположено, что брадикининовый рецептор B2 (BDKRB2), сигнальный пептид, связанный как с вазодилатацией, так и с вазоконстрикцией, в данном исследовании влияет на периферическую вазоконстрикцию, индуцированную дайвинг-реакцией (

• Баранова Т.И.
• Берлов Д.Н.
• Глотов О.С.
• Корф Е.А.
• Минигалин А.Д.
• Митрофанова А.В.
• Ахметов И.И.
• Глотов А.С.

Генетическая детерминация сосудистых реакций у человека в ответ на водолазный рефлекс.
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2017; 312 : H622-H631

Совершенно неизвестно, являются ли морские кочевники генетически приспособленными к своему экстремальному образу жизни. Единственный признак, который был исследован в популяциях с образом жизни, зависящим от ныряния, – это превосходное подводное зрение детей тайских морских кочевников (

• Gislén A.
• Dacke M.
• Крёгер Р.Х.
• Абрахамсон М.
• Нильссон Д.-Э.
• Warrant E.J.

Превосходное подводное зрение в человеческой популяции морских цыган.
Curr. Biol. 2003; 13 : 833-836

). Однако позже было показано, что это пластичная реакция на тренировку с помощью многократных погружений, воспроизведенная в европейской когорте (

• Gislén A.
• Warrant E.J.
• Dacke M.
• Крёгер Р.Х.

Визуальная тренировка улучшает подводное зрение у детей.
Vision Res. 2006; 46 : 3443-3450

). Здесь мы использовали двухсторонний подход для решения вопроса о потенциальной генетической адаптации у баджау. Во-первых, мы проверили их геномы на наличие признаков отбора, чтобы выявить гены, которые были уникальной мишенью естественного отбора у баджау. Во-вторых, мы изучили, связан ли какой-либо из локусов-кандидатов с размером селезенки, одним из наиболее значимых признаков-кандидатов для адаптации к свободному нырянию и устойчивости к гипоксии.

Результаты

Различия в размерах селезенки у баджау

Сначала мы попытались определить, есть ли доказательства того, что у баджау селезенка больше, чем у их близких географических соседей, салуан, которые минимально взаимодействуют с морской средой. Мы определили две приморские деревни, расположенные на расстоянии ∼25 км друг от друга на полуострове Центральный Сулавеси в Индонезии: Джая Бакти и Койоан, населенные преимущественно этническими группами баджау и салуан, соответственно. Для участия в исследовании мы набрали 59 представителей народности баджау и 34 представителя народности салуан, у каждого из которых мы собрали образцы слюны для анализа ДНК и измерили селезенку с помощью портативного ультразвукового аппарата. 16 человек из племени баджау и 1 человек из племени салуан были признаны близкими родственниками других людей из их соответствующих общин на основании генетических данных. Эти люди были исключены из всех дальнейших анализов, поскольку большинство из них основано на предположении, что анализируемые люди не состоят в близком родстве. Мы провели ультразвуковые измерения в двух плоскостях, что позволило нам рассчитать объем селезенки в соответствии с методикой, изложенной в работе

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

Оценка объема селезенки: сонографические измерения коррелируют с определением на спиральной КТ.
AJR Am. J. Roentgenol. 2003; 181 : 1615-1620

которая лучше всего коррелирует с объемами, полученными с помощью компьютерной томографии (КТ). Мы использовали эти измерения для сравнения размеров селезенки в двух популяциях, выявив четкую визуальную разницу: средний размер селезенки был выше у баджау (рис. 1). Эта разница была статистически значимой (двухвыборочный t-тест Уэлча, p = 3,538e-07). Примечательно, что эта разница не является существенной при сравнении дайверов баджау и не дайверов баджау (p = 0,2663), что говорит о том, что разница между баджау и салуан не просто обусловлена тем, что большее количество особей баджау являются дайверами. Однако на результаты теста могут повлиять и другие факторы, помимо того, являются ли люди дайверами (подробнее см. раздел “Методы STAR” и рисунок S1). Поэтому мы также проверили разницу в размере селезенки между баджау и салуан с помощью линейной модели, которая позволила нам учесть дополнительные факторы. В частности, мы включили пол, возраст, вес, рост и то, являются ли люди водолазами, в качестве ковариат. Результаты этого теста также показали, что селезенка у баджау значительно больше, чем у салуан, даже с поправкой на несколько потенциально сбивающих факторов (p = 0,0438, β = 44,40, SE 21,62, подробности см. в STAR Methods). Эти результаты свидетельствуют о физиологических различиях между баджау и салуан, которые не объясняются исключительно пластической реакцией селезенки на водолазную деятельность. Хотя другие неизвестные экологические факторы могут потенциально объяснить наблюдаемые различия между группами, генетические факторы остаются возможными.

Демографический анализ популяции

Далее мы получили данные полногеномного секвенирования на малой глубине для тех же особей Bajau и Saluan и проанализировали их с помощью методов, которые учитывают неопределенность генотипа, работая непосредственно с вероятностями генотипов (

• Cheng J.Y.
• Майлунд Т.
• Nielsen R.

Ohana, набор инструментов для популяционно-генетического анализа компонентов примеси.
bioRxiv. 2016;

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

ANGSD: анализ данных секвенирования следующего поколения.
BMC Bioinformatics. 2014; 15 : 356

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

Ассоциативное тестирование для данных секвенирования следующего поколения с использованием статистики баллов.
Genet. Epidemiol. […]

[…] […]

• […]
• […]
• Xu S.
• […]
• […]
• […]
• […]
• […]
• […]

HUGO Pan-Asian SNP Consortium PanSNPdb: паназиатская база данных генотипирования SNP.
PLoS ONE. 2011; 6 : e21451

) (описано в Методах STAR). Эта панель содержит людей из различных паназиатских популяций, но с ограниченным числом SNP (∼50 k).

Мы провели анализ главных компонент (PC), который показал, что баджау генетически ближе к салуанам, чем к большинству других азиатских популяций, за исключением их географических соседей (например, тораджа), которые также живут на острове Сулавеси (рис. 2). В популяциях, ближайших к баджау и салуан, мы наблюдаем градиент меланезийского и австронезийского происхождения, причем увеличение меланезийского компонента связано с большей географической близостью к Меланезии.

• Липсон М.
• Лох П.-Р.
• Паттерсон Н.
• Мурджани П.
• Ко Й.-К.
• Стоункинг М.
• Бергер Б.
• Райх Д.

Реконструкция истории австронезийского населения в островной Юго-Восточной Азии.
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 в виде компонента лососевого цвета (рис. 3, полный анализ примесей см. на рис. S4), который гораздо менее распространен среди салуанцев. Затем мы смоделировали совместное распределение частот аллелей по компонентам происхождения как многомерный гаусс, аналогично моделям в TREEMIX (

• Pickrell J.K.
• Pritchard J.K.

Вывод о расщеплении и смешении популяций на основе данных о частоте аллелей по всему геному.
PLoS Genet. 2012; 8 : e1002967
) и Bayenv (

• Günther T.
• Coop G.

Надежная идентификация локальной адаптации по частотам аллелей.
Genetics. 2013; 195 : 205-220

). Исходя из этого, мы оценили популяционное дерево, наиболее совместимое с полученной ковариационной матрицей для K = 19, где баджау и салуан получают каждый свой уникальный компонент (см. рисунок 3, подробности о процедурах расчета в

• Cheng J.Y.
• Майлунд Т.
• Nielsen R.

Ohana, набор инструментов для популяционно-генетического анализа компонентов примеси.
bioRxiv. 2016;

Мы оценили совместную демографическую историю, включая время дивергенции, популяций баджау и салуан с помощью программы fastsimcoal2 (

• Excoffier L.
• Dupanloup I.
• Huerta-Sánchez E.
• Соуза В.К.
• Foll M.

Надежный демографический вывод на основе геномных и SNP-данных.
PLoS Genetics. 2013; 9

). Этот метод оптимизирует составное правдоподобие наблюдаемого совместного спектра частот участков (SFS) в высокоразмерном пространстве возможных демографических моделей. Мы предполагаем, что эти две популяции дивергировали от предковой популяции и затем претерпели экспоненциальное сокращение или рост и миграцию между двумя популяциями (возможно, с асимметричными темпами) до настоящего времени. Мы нашли модель, совместимую с данными, в которой время дивергенции составляет ∼16 кя, с последующей высокой миграцией из Баджау в Салуан и низкой миграцией из Салуана в Баджау (подробнее см. STAR Methods). Мы отмечаем, что оценка в 16 кя может отражать дивергенцию старых компонентов примеси, разделяемых в разных пропорциях салуанцами и баджау, подобно тому, как, например, европейские популяции тесно связаны друг с другом, но различаются по доле древних компонентов примеси.

Сканирование отбора

Результаты нашего анализа популяционной генетики позволяют предположить, что для выявления специфического для баджау положительного отбора было бы уместно провести селекционное сканирование, сравнивая баджау и салуан с более дивергентной группой населения в качестве аутгруппы, такой как ханьцы. Поскольку наши данные имеют относительно низкий охват (в среднем 5×) и из-за отсутствия хороших эталонных панелей гаплотипов для баджау, вычислительная фазировка гаплотипов для наших данных, вероятно, будет ненадежной. Кроме того, предыдущие исследования показали, что методы, основанные на локальных паттернах дифференциации частот аллелей, являются очень мощными для обнаружения локальной адаптации (

• Fumagalli M.
• Moltke I.
• Grarup N.
• Racimo F.
• Bjerregaard P.
• Йоргенсен М.Е.
• Korneliussen T.S.
• Gerbault P.
• Skotte L.
• Linneberg A.
• et al.

Гренландские инуиты демонстрируют генетические признаки диеты и климатической адаптации.
Science. 2015; 349 : 1343-1347

• Yi X.
• Liang Y.
• Huerta-Sanchez E.
• Jin X.
• Cuo Z.X.P.
• Pool J.E.
• Xu X.
• Цзян Х.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• et al.

Секвенирование 50 экзомов человека выявляет адаптацию к высокогорью.
Science. 2010; 329 : 75-78

). Поэтому мы объединили наши данные секвенирования баджау и салуан с геномами ханьцев из проекта “1000 геномов” (

• Auton A.
• Брукс Л.Д.
• Дурбин Р.М.
• Гаррисон Э.П.
• Канг Х.М.
• Korbel J.O.
• Marchini J.L.
• McCarthy S.
• McVean G.A.
• Abecasis G.R.

Консорциум проекта 1000 геномов Глобальный эталон генетической изменчивости человека.
Nature. 2015; 526 : 68-74

) и провели сканирование геномного отбора с использованием нового метода выявления локального отбора, сходного со статистикой PBS (

• Yi X.
• Liang Y.
• Huerta-Sanchez E.
• Jin X.
• Cuo Z.X.P.
• Pool J.E.
• Xu X.
• Цзян Х.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• et al.

Секвенирование 50 экзомов человека выявляет адаптацию к высокогорью.
Science. 2010; 329 : 75-78

), но основанный на явной модели правдоподобия и скорректированный для учета примеси и различных предковых компонентов (

• Cheng J.Y.
• Майлунд Т.
• Nielsen R.

Ohana, набор инструментов для популяционно-генетического анализа компонентов примеси.
bioRxiv. 2016;
). Программа “selscan”, входящая в комплект программного обеспечения Ohana (

• Cheng J.Y.
• Майлунд Т.
• Nielsen R.

Ohana, набор инструментов для популяционно-генетического анализа компонентов примеси.
bioRxiv. 2016;

) позволил нам обнаружить SNP, которые сильно отклоняются у баджау от общегеномной ковариационной структуры, используя тест отношения правдоподобия. Для каждого SNP мы ввели скалярную переменную, которая умножалась на дисперсию, связанную с популяцией баджау. Это позволило создать две вложенные модели правдоподобия: одну, которая предполагает, что изменение частоты аллелей, специфичных для баджау, можно предсказать на основе структуры ковариации в масштабах всего генома, и другую, которая допускает большее изменение в баджау (и, следовательно, более высокую дисперсию в компоненте баджау), чем ожидается на основе структуры в масштабах всего генома. Полученный тест на отношение правдоподобия использовался для выявления локусов, в которых Bajau испытывал большее, чем ожидалось, изменение частоты аллелей по сравнению с предсказанием на основе общегеномного паттерна, что является признаком отбора (см. методы STAR и рисунок S5 для более подробной информации).

Мы отмечаем, что сканирование отбора с аналогичным дизайном и таким же небольшим размером выборки было успешным в выявлении вариантов, лежащих в основе важных физиологических адаптаций в других человеческих популяциях, таких как инуиты (

• Fumagalli M.
• Moltke I.
• Grarup N.
• Racimo F.
• Bjerregaard P.
• Йоргенсен М.Е.
• Korneliussen T.S.
• Gerbault P.
• Skotte L.
• Linneberg A.
• et al.

Гренландские инуиты демонстрируют генетические признаки диеты и климатической адаптации.
Science. 2015; 349 : 1343-1347
) и тибетцев (

• Yi X.
• Liang Y.
• Huerta-Sanchez E.
• Jin X.
• Cuo Z.X.P.
• Pool J.E.
• Xu X.
• Цзян Х.
• Vinckenbosch N.
• Korneliussen T.S.
• et al.

Секвенирование 50 экзомов человека выявляет адаптацию к высокогорью.
Science. 2010; 329 : 75-78

). В то время как широкогеномные ассоциативные исследования (GWAS) должны корректировать тестирование на всех участках генома, сила использования естественного отбора для выяснения функции заключается в том, что только участки, выявленные в результате селекционного сканирования, проверяются на фенотипические ассоциации, тем самым облегчая бремя многократного тестирования.

Примечательно, что главным хитом нашего отбора (Таблица 1) является SNP rs7158863, расположенный непосредственно перед BDKRB2, единственным геном, который до сих пор ассоциируется с реакцией на погружение у человека (

• Баранова Т.И.
• Берлов Д.Н.
• Глотов О.С.
• Корф Е.А.
• Минигалин А.Д.
• Митрофанова А.В.
• Ахметов И.И.
• Глотов А.С.

Генетическая детерминация сосудистых реакций у человека в ответ на водолазный рефлекс.
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2017; 312 : H622-H631

). Считается, что генетические вариации этого гена связаны с повышенной периферической вазоконстрикцией, которая помогает преимущественно насыщать кислородом такие важные ткани, как мозг, сердце и легкие, тем самым потенциально увеличивая время погружения. Этот результат убедительно свидетельствует о том, что у баджау имеются генетические вариации, которые были направлены на отбор, связанный с фенотипами, важными для ныряния.

Таблица 1 25 лучших SNP-кандидатов по результатам селекционного сканирования

chr	позиция	rsid	Ген	Коэффициент LL	Показатель CADD	Ассоциация p Значение
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

Отношение LL – логарифмическое отношение правдоподобия, полученное в результате селекционного сканирования для каждого SNP; оценка CADD – предполагаемая деструктивность каждого SNP, предсказанная с помощью комбинированного аннотационно-зависимого онлайн-инструмента истощения (PHRED-scaled); p-значение ассоциации – p-значения, полученные в результате тестирования ассоциации с размером селезенки с использованием глубины секвенирования, роста, веса, возраста, пола, дайвинга и первых 5 PC в качестве ковариат. Когда SNP попадает в генный регион, указывается соответствующий ген.

Хотя некоторые сигналы отбора, уникально присутствующие у баджау, могут быть связаны с другими факторами окружающей среды, например, с патогенами, несколько других лучших попаданий также попадают в гены-кандидаты, связанные с признаками, которые могут быть важны для дайвинга. Примеры включают FAM178B, который кодирует белок, образующий стабильный комплекс с карбоновой ангидразой, основным ферментом, ответственным за поддержание баланса углекислого газа и бикарбоната, тем самым помогая поддерживать рН крови (и предотвращая накопление углекислого газа) (

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

Интеграция более 9000 масс-спектрометрических экспериментов создает глобальную карту белковых комплексов человека.

Mol. Syst. Biol. 2017; 13 : 932

); CACNA1A, который участвует в регуляции высвобождения возбуждающего нейротрансмиттера глутамата (

• Catterall W.A.

Структура и функция нейрональных Ca2+ каналов и их роль в высвобождении нейротрансмиттеров.
Cell Calcium. 1998; 24 : 307-323
) и ответ на гипоксические условия (

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

Дифференциальная ап-регуляция генов гипоксия-индуцибельным фактором-1альфа и гипоксия-индуцибельным фактором-2альфа в клетках HEK293T.

Cancer Res. 2005; 65 : 3299-3306

); и PDE10A, фосфодиэстераза циклических нуклеотидов, участвующая в регуляции сокращения гладких мышц, в том числе мышц, окружающих селезенку (

• Exton J.H.

Молекулярные механизмы, вовлеченные в альфа-адренергические ответы.
Мол. Cell. Endocrinol. 1981; 23 : 233-264

Мы также оценили функциональную значимость SNPs-кандидатов с помощью онлайнового инструмента комбинированного аннотационно-зависимого истощения (CADD v1.3) (

• Kircher M.
• Witten D.M.
• Jain P.
• O’Roak B.J.
• Купер Г.М.
• Шендур Дж.

Общая схема для оценки относительной патогенности генетических вариантов человека.
Nat. Genet. 2014; 46 : 310-315

). Мы обнаружили, что некоторые из них расположены в регуляторных регионах, включая ведущий SNP CANA1A, который находится в высоко консервативном положении и расположен внутри сайта связывания транскрипционного фактора в открытой области хроматина (подробнее см. в Методах STAR).

Исследование сигналов адаптивной интрогрессии

Для того чтобы исследовать возможное происхождение выбранных аллелей, выявленных в ходе селекционного сканирования, мы применили статистику, чувствительную к адаптивной интрогрессии (AI) от архаичных людей. Мы применили эту статистику к 100-килобайтным окнам генома с перекрытием в 20 килобайт (

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

Оценка использования статистики ABBA-BABA для поиска интрогрессированных локусов.
Mol. Biol. Эвол. 2015; 32 : 244-257

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

Признаки архаичной адаптивной интрогрессии в современных человеческих популяциях.
Mol. Biol. Evol. 2017; 34 : 296-317
) с использованием оценок популяционных частот по принципу максимального правдоподобия, полученных в ANGSD (

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

ANGSD: анализ данных секвенирования следующего поколения.
BMC Bioinformatics. 2014; 15 : 356
). Мы использовали йоруба (YRI) в качестве неинтрогрессировавшей аутгруппы и либо алтайского неандертальца (

• Prüfer K.
• Racimo F.
• Паттерсон Н.
• Джей Ф.
• Sankararaman S.
• Сойер С.
• Хайнце А.
• Рено Г.
• Судмант П.Х.
• de Filippo C.
• et al.

Полная последовательность генома неандертальца из Алтайских гор.
Nature. 2014; 505 : 43-49
) или денисовца (

• Meyer M.
• Kircher M.
• Gansauge M.T.
• Li H.
• Racimo F.
• Маллик С.
• Schraiber J.G.
• Джей Ф.
• Prüfer K.
• de Filippo C.
• et al.

Геномная последовательность с высоким покрытием от архаичного денисовского индивида.
Science. 2012; 338 : 222-226

) геномов в качестве источника интрогрессии. Мы протестировали баджау как целевую популяцию, а также ханьцев и салуанцев для сравнения. Затем мы искали перекрытия между регионами, занимающими первое место в этом сканировании, и кандидатами, выявленными в ходе сканирования селекции Ohana.

Мы выявили один регион, перекрывающийся с хронологией chr2:97627143, который приходится на ген FAM178B, который попадает в 99% квантиль геномного распределения для статистики f_D (

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

Оценка использования статистики ABBA-BABA для поиска интрогрессированных локусов.
Mol. Biol. Эвол. 2015; 32 : 244-257

). Из всех рассмотренных популяций этот регион выделяется исключительно у баджау, и сигнал оказывается наиболее сильным при использовании Денисовой в качестве источника. Примечательно, что этот регион также был предложен в качестве кандидата на интрогрессию денисовцев в океанические популяции в работе

• Sankararaman S.
• Маллик С.
• Паттерсон Н.
• Райх Д.

Комбинированный ландшафт денисовской и неандертальской родословной у современных людей.
Curr. Biol. 2016; 26 : 1241-1247

. Два дополнительных региона, перекрывающие chr1:62249296 и chr2:116902921, также имели значения статистики Q95 и U20 (

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

Признаки архаичной адаптивной интрогрессии в современных человеческих популяциях.
Mol. Biol. Evol. 2017; 34 : 296-317

), которые находятся в 99% квантиле общегеномного распределения как для Денисовой, так и для неандертальца. Однако, в отличие от региона FAM178B, эти сигналы также присутствуют у ханьцев и салуанцев и, таким образом, не являются специфичными для баджау. Примечательно, что нет никаких доказательств архаичной интрогрессии в PDE10A или BDKRB2.

Тестирование ассоциаций

Чтобы выяснить, связаны ли какие-либо из 25 лучших SNP из селекционного сканирования Ohana с размером селезенки, мы проверили ассоциацию с помощью балльного теста, который учитывает неопределенность генотипа, присущую данным низкоглубинного секвенирования (

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

Ассоциативное тестирование для данных секвенирования следующего поколения с использованием статистики баллов.
Genet. Epidemiol. […]

). В эти тесты мы включали глубину секвенирования, рост, вес, возраст, пол, дайвинг и первые 5 PCs из анализа PCA, который включал в качестве ковариаты только индивидуумов, используемых в тесте (подробнее см. раздел “Методы STAR”). Мы решили включить PCs, чтобы скорректировать структуру популяции. Только один SNP был значительно связан с размером селезенки на 5% уровне значимости с поправкой Бонферрони (0,002): rs3008052, расположенный в гене фосфодиэстеразы 10A (PDE10A) (Таблица 1). Примечательно, что ассоциация по этому SNP устойчива к ряду факторов, включая различные преобразования размеров селезенки, а также дополнительные поправки на структуру популяции, кроме включения PCs в качестве ковариаты (см. STAR Methods и Рисунок S6). Эффект аллеля, которому отдается предпочтение у баджау, приводит к увеличению размера селезенки (Рисунок 1; более подробно см. STAR Methods), и размер эффекта, по-видимому, соответствует подвыборкам данных и преобразованиям (Рисунок 4).

PDE10A кодирует фосфодиэстеразу циклических нуклеотидов, которая может гидролизовать как цАМФ, так и цГМФ (

• Fujishige K.
• Kotera J.
• Michibata H.
• Yuasa K.
• Takebayashi S.
• Окумура К.
• Омори К.

Клонирование и характеристика новой фосфодиэстеразы человека, гидролизующей как цАМФ, так и цГМФ (PDE10A).

J. Biol. Chem. 1999; 274 : 18438-18445

). Регулируя концентрацию циклических нуклеотидов, он играет ключевую роль в передаче сигналов, включая альфа-адренергические реакции, такие как сокращение гладкой мускулатуры, окружающей селезенку (

• Exton J.H.

Молекулярные механизмы, вовлеченные в альфа-адренергические ответы.
Мол. Cell. Endocrinol. 1981; 23 : 233-264

). Наш главный SNP, rs3008052, связан с генетическими вариациями, влияющими на экспрессию PDE10A (рис. 5). PDE10A наиболее высоко экспрессируется в нейронной ткани, но самая сильная ассоциация для rs3008052 связана с экспрессией в щитовидной железе (p = 0,000016) (

• Lonsdale J.
• Томас Дж.
• Сальваторе М.
• Филлипс Р.
• Ло Е.
• Шад С.
• Хасц Р.
• Уолтерс Г.
• Гарсия Ф.
• Янг Н.
• et al.

Консорциум GTEx Проект Genotype-Tissue Expression (GTEx).
Nat. Genet. 2013; 45 : 580-585

), еще один орган, в котором высвобождение гормонов опосредовано cAMP. Поэтому наиболее вероятным способом действия является увеличение размера селезенки как следствие повышения уровня гормонов щитовидной железы.

PDE10A и размер селезенки

Для дальнейшего изучения способа действия PDE10A мы изучили топ SNPs, связанных с размером селезенки, из данных Bajau в Global Biobank Engine (Global Biobank Engine, Стэнфорд, Калифорния; https://biobankengine.stanford.edu/, октябрь 2017). Этот механизм содержит огромное количество результатов ассоциаций “случай-контроль” из данных сводной информации о медицинских результатах, связанных со здоровьем, в госпитале UK Biobank. К сожалению, наш главный SNP в этих данных отсутствует, поэтому мы изучили SNP, находящиеся в высоком неравновесии связи (LD) с нашим SNP; три наиболее высоко коррелирующих SNP в окружающем 1-MB регионе (rs2983527, rs3008050 и rs3008049 со значениями r 2 0,8501, 0,6402 и 0,6140, соответственно). Мы обнаружили, что все три SNP значительно связаны с гипотиреозом на 5% уровне значимости после поправки Бонферрони (p = 0,0017, p = 0,00011 и p = 0,0043), а аллель, которому отдают предпочтение баджау, приводит к снижению гипотиреоза по всем трем SNP.

До настоящего времени не было сообщений о связи между уровнем гормонов щитовидной железы (тироксина [T4], который преобразуется в активную форму триидотиронина [T3]) и размером селезенки у людей. Однако уровень тиреоидных гормонов (ТТГ) был тесно связан с размером селезенки у мышей. В ряде исследований влияние ТГ на размер селезенки изучалось через ген Pax8, который контролирует производство фолликулов в развивающейся щитовидной железе. Pax8 -/- нокаутные мыши, демонстрирующие глубокий врожденный гипотиреоз (почти полное отсутствие Т4 и Т3), показали резкое уменьшение размера селезенки (

• Angelin-Duclos C.
• Domenget C.
• Kolbus A.
• Beug H.
• Jurdic P.
• Самарут Ж.

Тиреотропный гормон Т3, действующий через рецептор тиреотропного гормона α, необходим для осуществления эритропоэза в неонатальной среде селезенки у мыши.

Развитие. 2005; 132 : 925-934

• Flamant F.
• Poguet A.L.
• Plateroti M.
• Chassande O.
• Готье К.
• Штрейхенбергер Н.
• Mansouri A.
• Самарут Ж.

Врожденные гипотиреоидные Pax8(-/-) мутантные мыши могут быть спасены путем инактивации гена TRalpha.
Mol. Endocrinol. 2002; 16 : 24-32

). Интересно, что фенотип маленькой селезенки был показан частично обратимым путем введения TH (

• Angelin-Duclos C.
• Domenget C.
• Kolbus A.
• Beug H.
• Jurdic P.
• Самарут Ж.

Тиреотропный гормон Т3, действующий через рецептор тиреотропного гормона α, необходим для осуществления эритропоэза в неонатальной среде селезенки у мыши.

Развитие. 2005; 132 : 925-934

). В подтверждение связи между ТГ и размером селезенки у мышей, которых лечили Т4, чтобы искусственно вызвать гипертироксинемию, наблюдалось значительное увеличение веса селезенки в течение 8 и 32 недель (p < 0.001 for both time periods) (

• Watanabe K.
• Иватани Й.
• Хидака Й.
• Watanabe M.
• Amino N.

Долгосрочное воздействие тиреоидных гормонов на подмножества лимфоцитов в селезенке и тимусе мышей.
Endocr. J. 1995; 42 : 661-668

Для дальнейшей проверки гипотезы об ассоциации между выбранными SNPs в PDE10A и уровнем тиреоидных гормонов мы обратились к когорте 500-FG из проекта функциональной геномики человека (

• 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.
• et al.

Факторы хозяина и окружающей среды, влияющие на индивидуальные цитокиновые ответы человека.
Cell. 2016; 167 : 1111-1124

), которые были генотипированы с помощью SNP-чипа (Illumina HumanOmniExpressExome-8 v1.0) и у которых были измерены концентрации Т4 и тиреоидстимулирующего гормона (TSH) (подробности см. в Методах STAR). Мы отмечаем, что эта когорта происходит из европейской популяции, которая сильно дивергировала от баджау, с потенциально другой структурой гаплотипов, и поэтому валидация в этой когорте может быть затруднена. Тем не менее, мы проверили ассоциацию с помощью метода линейной регрессии, реализованного в пакете Matrix eQTL R (

• Шабалин А.А.

Matrix eQTL: сверхбыстрый анализ eQTL с помощью больших матричных операций.
Биоинформатика. 2012; 28 : 1353-1358

). Метод был применен к вмененным “дозированным” SNP данным, где при вменении генотипы не называются дискретно, а присваиваются значения от 0 до 2 у каждого индивидуума. Индивиды, которые были родственниками или имели неевропейское происхождение, были удалены, а тесты были скорректированы с учетом возраста, пола, ИМТ и использования оральных контрацептивов путем включения этих факторов в качестве ковариат. Мы исследовали четыре SNP: ведущий SNP, rs3008052, и три других SNP в высокой LD у европейцев с rs3008052 (rs2983527, rs3008050 и rs3008049). Все эти SNP имеют значительные ассоциации с гипотиреозом в данных Global Biobank Engine. Для высшего SNP PDE10A, rs3008052, мы обнаружили четкую, значительную ассоциацию (p = 0,0017), причем аллель с более высокой частотой у баджау ассоциировался с повышенными концентрациями T4 в циркулирующей плазме. Мы также обнаружили значительные ассоциации в SNPs с высоким уровнем LD, а также отрицательные ассоциации с концентрацией TSH (см. Рисунок S7). Отрицательная корреляция между ассоциациями с концентрациями T4 и TSH ожидается из-за хорошо известной отрицательной обратной связи между T4 и TSH.

Не существует GWAS-исследований размера селезенки, проведенных в других популяциях, которые позволили бы нам напрямую подтвердить ассоциацию с размером селезенки. Однако в рамках исследования по оценке распространенности стеатоза печени в когорте 300-OB (см. раздел “Методы STAR” для получения подробной информации о когорте) было проведено МРТ брюшной полости. Мы смогли оценить размеры селезенки у людей из этой когорты по снимкам МРТ и проверили ассоциацию размеров селезенки для тех же четырех SNP, которые использовались в тесте на ассоциацию T4. Мы не должны были ожидать ассоциации в этой когорте из-за ее иного генетического фона, но rs3008050 и rs3008049 были незначительно связаны с размером селезенки, что соответствует ассоциации, обнаруженной у баджау, со значениями p пограничной значимости (p = 0,05083 и p = 0,06493). К сожалению, rs3008050 не присутствовал в данных Bajau. Однако rs3008049 присутствует и имеет высокозначимую ассоциацию с размером селезенки (p = 0,00043) у баджау. Объединенное значение p, полученное в результате двух исследований (с использованием метода Фишера) для rs3008049, составляет 2,79e-05, что является убедительным доказательством ассоциации с размером селезенки в регионе с доказательствами естественного отбора в PDE10A. Даже после поправки Бонферрони на то, что мы исследовали два SNP с перекрытием в двух наборах данных (rs3008052 и rs3008049), а первоначальный скрининг был основан на 25 SNP в 25 генах, результаты остаются значимыми (p = 0,00073).

Эволюционная история выбранных локусов

SNP rs3008049, который подвергался отбору у баджау, также имеет широкое географическое распространение. Хотя он встречается с высокой частотой у баджау (37,1%), он также сегрегирует с заметной частотой у салуанцев (6,7%) и ханьцев (3,0%). Повсеместное распространение этого SNP с определенной частотой в этих популяциях предполагает, что отбор мог произойти, когда rs3008049 был постоянным вариантом, сегрегация которого была нейтральной во всех этих популяциях до отбора в Баджау. Для rs7158863, нашего главного совпадения при сканировании отбора, мы оценили, что этот аллель составляет 18,3% в Баджау и

Чтобы проверить, являются ли наблюдаемые межпопуляционные различия в частоте аллелей следствием дрейфа или ошибки выборки, а не отбора, мы использовали предполагаемую демографическую модель изоляции с миграцией для моделирования эволюции нейтральных аллелей под действием отбора от постоянного варианта. Мы обнаружили, что эти различия в частотах вряд ли обусловлены дрейфом или ошибкой выборки (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 чтобы явно подогнать модель отбора на постоянную вариацию к этим частотам аллелей, мы смоделировали траектории частот аллелей в рамках той же модели изоляции с миграцией, варьируя значения трех параметров: (1) s, коэффициент отбора, (2) t, время, когда отбор начал действовать на аллель, и (3) f, частота аллеля во время дивергенции. Мы обнаружили, что аллель PDE10A имеет разницу в частоте, совместимую с умеренно сильным коэффициентом отбора s = 0,005, действующим на постоянный вариант (f = 0,02), начиная примерно с момента дивергенции (t = 15,4 кя) (рис. 6). Эти оценки, свидетельствующие о зачистке от постоянного варианта, согласуются с частотой аллеля в панелях из ряда других популяций, таких как ханьцы, чей раскол с баджау предшествовал расколу баджау-салуан. Мы также обнаружили, что аллель BDKRB2 имеет разницу в частоте, совместимую с сильным коэффициентом отбора s = 0,01, действующим на низкочастотный вариант (f = 0,0001), также начинающийся примерно в момент дивергенции (t = 15,4 кя). Важно отметить, что поскольку ведущие варианты могут не быть причинными вариантами, это может повлиять на наши оценки и исказить наши выводы в сторону отбора по постоянным вариациям, а не по мутациям de novo. В качестве дополнительной проверки мы проверили ширину пиков отношения правдоподобия для ведущих SNP в PDE10A и BDKRB2, рассчитав расстояние между двумя наиболее удаленными SNP, которые определяют область развертки. Мы обнаружили, что ширина пиков чрезвычайно мала (5,583 п.н. и 2,825 п.н., соответственно), что является дополнительным доказательством того, что зачистка происходит за счет стоячей вариации.

Обсуждение

В этом исследовании мы определили несколько генов-кандидатов для адаптации к нырянию на задержке дыхания у баджау. Мы подробно изучили один из генов-кандидатов, PDE10A, а остальные остаются перспективными объектами для будущих исследований.

В области PDEA10 мы обнаружили, что SNPs на пике селекционного сканирования связаны с функцией щитовидной железы и размером селезенки. Поскольку гормоны щитовидной железы регулируют нормальный эритропоэз во время раннего постнатального развития (

• Angelin-Duclos C.
• Domenget C.
• Kolbus A.
• Beug H.
• Jurdic P.
• Самарут Ж.

Тиреотропный гормон Т3, действующий через рецептор тиреотропного гормона α, необходим для осуществления эритропоэза в неонатальной среде селезенки у мыши.

Развитие. 2005; 132 : 925-934

), наблюдаемый фенотип большой селезенки у баджау может свидетельствовать о большем объеме эритроцитарных клеток. Выбранный генотип может обеспечить 2-кратное фенотипическое преимущество, связанное как с увеличенным количеством насыщенных кислородом клеток, так и с большим резервуаром для их хранения. В качестве альтернативы, увеличение размера селезенки может быть просто вторичным эффектом увеличения объема клеток. Независимо от этого, результирующие физиологические изменения, по-видимому, обеспечили функциональную адаптацию к условиям острой гипоксии, характерной для ныряния на задержке дыхания.

Большинство фактов указывает на то, что адаптации, которые мы наблюдаем у баджау, происходят от постоянных вариаций. Во-первых, варианты-кандидаты в таких генах, как PDE10A и BDKRB2, имеют широкое географическое распространение. Хотя мы, возможно, не идентифицировали причинные варианты в этих генах, сигналы отбора, похоже, не связаны с вариантами, частными для баджау. Наши выводы, основанные на модели, также совместимы с отбором, действующим на постоянные вариации. Кроме того, вариант в FAM178B может происходить от адаптивной интрогрессии, возможно, от денисовцев, тогда как варианты PDE10A и BDKRB2, скорее всего, нет.

В целом, наши результаты свидетельствуют о том, что баджау претерпели уникальные адаптации, связанные с размером селезенки и реакцией ныряния, добавляя новые примеры к списку замечательных генетических адаптаций, которые человек пережил в недавней эволюционной истории. Подобно другим наиболее экстремальным адаптациям человека, таким как адаптация к диете, связанной со скотоводством (

• Ranciaro A.
• Campbell M.C.
• Hirbo J.B.
• Ko W.-Y.
• Froment A.
• Anagnostou P.
• Kotze M.J.
• Ibrahim M.
• Ньямбо Т.
• Омар С.А.
• Тишков С.А.

Генетические истоки персистенции лактазы и распространение скотоводства в Африке.
Am. J. Hum. Genet. 2014; 94 : 496-510
) или сдвиги в экологической доступности пищевых ресурсов (

• Fumagalli M.
• Moltke I.
• Grarup N.
• Racimo F.
• Bjerregaard P.
• Йоргенсен М.Е.
• Korneliussen T.S.
• Gerbault P.
• Skotte L.
• Linneberg A.
• et al.

Source: cell.com