Arabijos dromedarinio kupranugario (Camelus dromedarius) pagumburio osmoreguliacinio valdymo centro transkriptominis plastiškumas

Transcriptomic plasticity of the hypothalamic osmoregulatory control centre of the Arabian dromedary camel (Camelus dromedarius)

Dromedaras kupranugaris (Camelus dromedarius) turi didelę ekonominę ir kultūrinę reikšmę Artimuosiuose Rytuose ir Šiaurės Afrikoje. „Dykumos laivas“ tūkstantmečius buvo svarbiausia prijaukinta rūšis šiuose regionuose. Prisitaikydamas prie ilgalaikių sausrų sąlygų dykumos aplinkoje, kupranugariai sukūrė tvirtus mechanizmus vandens homeostazei palaikyti. Inkstų lygmeniu kupranugaris gali išskirti nedidelį kiekį labai koncentruoto šlapimo efektyviai reabsorbuodamas vandenį, ypač kai jam trūksta vandens. Vandens reabsorbciją iš išankstinio šlapimo skatina hormonai argininas vazopresinas (AVP) ir oksitocinas (OXT), du pagrindiniai osmoreguliatoriai, gaminami pagumburio supraoptiniame branduolyje (SON) ir paraventrikuliniame branduolyje (PVN) smegenyse.

Vienakupriai arabiniai kupranugariai

Siekdama atskleisti fiziologinius vandens homeostazės mechanizmus esant didžiuliam karštos dykumos aplinkos slėgiui, mūsų laboratorija nusprendė pažvelgti į gamtos vandenį tausojantį stebuklą – kupranugarį, kad ieškotume atsakymų į specializacijas, užtikrinančias išlikimą dykumoje naudojant omikos metodus ir pažangią bioinformatiką. Taigi, profesoriaus Abdu Ademo (Jungtinių Arabų Emyratų universitetas) ir profesoriaus Davido Murphy (Bristolio universitetas) sukurtas įdomus bendradarbiavimo projektas. Abiejų laboratorijų bendras tikslas buvo ištirti arabų dromedaro kupranugarių inkstus ir smegenis, kurioms trukdo ilgalaikis vandens trūkumas ir greita rehidratacija. Fiziologiniai eksperimentai buvo atlikti su rančoje laikomais kupranugariais už Al Aino, Jungtinių Arabų Emyratų, karštais 2016 m. mėnesiais (balandžio ir gegužės mėn.), atidžiai prižiūrint veterinarijos gydytojui, siekiant užtikrinti gyvūnų gerovę. Pranešę apie transkriptominius ir proteominius prisitaikymus prie vandens trūkumo kupranugarių inkstuose 2021 m. (daugiau informacijos rasite šiame Fernando Alvira Iraizozo gamtos portfelio tinklaraštyje), atkreipėme dėmesį į neuroendokrininius mechanizmus, kurie organizuoja atsaką į vandens trūkumą kupranugarių pagumburyje. . Tai pirmas kartas, kai kupranugarių pagumburis buvo taip plačiai ištirtas, atsižvelgiant į jo prisitaikymą prie dykumos aplinkos.

Mano entuziazmas kupranugariais užsimezgė mano ankstesnėje gyvenamojoje vietoje šiaurės vakarų Kinijoje, kur keliaudamas į Kumtago dykumą ir Gobio dykumas susidūriau su Baktrijos kupranugarių auginimu. Panašiai kaip ir dromedarų kupranugarių vaidmuo tiekiant pieną, mėsą, transportuojant ir pramogaujant žmonėms Šiaurės ir Rytų Afrikoje, Arabijos pusiasalyje ir Irane bei daugelyje Artimųjų Rytų šalių, Baktrijos kupranugariai yra labai svarbūs gyvuliai žmonėms iš šiaurės vakarų Kinijos. ir Mongolija taip pat. Be to, esu susirūpinęs dėl vienos iš labai nykstančių rūšių pasaulyje – laukinio Baktrijos kupranugario – gyvenančios šiaurės vakarų Kinijos ir pietvakarių Mongolijos dykumose. Kaip šie naminiai ir laukiniai kupranugariai susidoroja su drastiškais aplinkos pokyčiais, tokiais kaip dykumėjimas ir klimato kaita, pastaraisiais metais man labiausiai rūpėjo. Būdamas ankstesnio etapo tyrėjas, prieš pradėdamas dirbti Murphy laboratorijoje turėjau mikrobiologijos, taip pat taikomųjų biomokslų ir biotechnikos žinių, todėl iš esmės turėjau ribotą patirtį gyvūnų fiziologijos ir neuroendokrinologijos srityse. Laimei, dirbdamas kartu su daugybe nuostabių kolegų ir bendradarbių įgijau atitinkamų žinių ir metodų, kurie leido man energingai domėtis Camelid šeima.

1 pav. Dromedaro kupranugario SON žemėlapis. 1 filmo ekrano kopija, kurioje rodomas trimatis kupranugarių SON modelis, sukurtas naudojant RNAscope vaizdus, ​​​​kad būtų parodytos erdviškai santykinės rostralių ir kaudalinių SON poskyrių vietos. Šis modelis buvo sukurtas naudojant 12 RNAscope vaizdų (interpoliuotų iki 96 plokštumų) dalinio pagumburio, kuriame yra SON (vainikinėse pjūviuose). AVP (raudona) ir OXT (žalia) mRNR vietos WD kupranugario SON rodo SON organizaciją. SŪNUS: supraoptinis branduolys, 3V: trečiasis skilvelis.

1 filmas

Šis projektas, tiriantis SON – dromedinio kupranugario pagumburio osmoreguliacinio valdymo centro – transkriptominį plastiškumą, prasidėjo trimačiu kupranugario SON kartografavimu (1 pav., 1 filmas), pagrįstu AVP ir OXT mRNR, kad palengvintų SON mėginių ėmimą. Skirtingai nuo graužikų SON, kupranugarių SON atskleidė skirtingą erdvinę struktūrą, apimančią dvi atskiras magnoceliulinių ląstelių, gaminančių šiuos hormonus, pogrupius. Mes pavadinome juos rostraline SON ir uodegine SON, atsižvelgdami į jų santykinę vietą smegenyse išilgai rostralinės-uodeginės ašies.

ir eksperimentinė darbo eiga, tirianti kupranugarių SON (sukurta naudojant BioRender.com).  Po aklimatizacijos pagumburio mėginiai buvo paimti iš 19 kupranugarių, suskirstytų į 3 grupes;  kontrolė (vandens ad libitum, n = 5), WD (vandens trūkumas 20 dienų, n = 8) ir rehidratuotas (vandens trūkumas 20 dienų, po to vanduo ad libitum tris dienas, n = 6).  b Pagrindinių komponentų analizė (PCA), rodanti valdymo ir WD sąlygų atskyrimą.  Kontrolinis mėginys: raudonas;  WD pavyzdys: turkis.  PC: pagrindinis komponentas.  PC1 (46 %) ir PC2 (24 %) yra didžiausias ir antras pagrindinis skirtumas tarp mėginių.  c Vulkano statistinio reikšmingumo diagrama (-log10 padj) atsižvelgiant į diferencijuotai išreikštų genų (DEG) (padj≤0,05) log2 karto pokytį (padj≤0,05) WD.  Raudona: padidintas DEG;  mėlyna: sumažintas DEG;  pilka: nepakitę genai.  Atrinkti DEG, pažymėti genų simboliais.  Per daug reprezentatyvių kelių analizė buvo atlikta remiantis visais kupranugarių DEG: d Per daug atstovaujama GO: biologiniai procesai.  e Per daug atstovaujama GO: KEGG keliai.  Daugkartinei palyginimo korekcijai buvo naudojama Benjamini-Hochberg korekcija (padj≤0,05).  Taškiniai brėžiniai iliustruoja WD ir su jais susijusių DEG praturtintus kelius.  Žymiai praturtinti keliai yra išvardyti išilgai y ašies pagal padj reikšmę iš viršaus į apačią didėjančia tvarka.  Su keliu susiję DEG žymimi spalvotais taškais.  Taško spalva ir dydis rodo LFC ir nuorašo gausą, išmatuotą pagal vidutinį normalizuotą skaitymo skaičių, suderintą su kiekvienu genu visuose mėginiuose (bazinis vidurkis).

2 pav. Eksperimentinis kupranugario SON transkriptų dizainas ir analizė ilgalaikio vandens trūkumo metu. a Eksperimentinė darbo eiga, tirianti kupranugarį SON (sukurta naudojant BioRender.com). Po aklimatizacijos pagumburio mėginiai buvo paimti iš 19 kupranugarių, suskirstytų į 3 grupes; kontrolė (vanduo ad libitum, n=5), WD (vandens trūkumas 20 dienų, n= 8) ir rehidratuotas (20 dienų vandens trūkumas, po to vanduo ad libitum trims dienoms n=6). b Pagrindinių komponentų analizė (PCA), rodanti valdymo ir WD sąlygų atskyrimą. Kontrolinis mėginys: raudonas; WD pavyzdys: turkis. PC: pagrindinis komponentas. PC1 (46 %) ir PC2 (24 %) yra didžiausias ir antras pagrindinis skirtumas tarp mėginių. c Statistinės reikšmės ugnikalnio grafikas (-log10 padj) prieš diferencijuotų genų (DEG) log2 karto pokytį (LFC) (padj≤0,05) WD. Raudona: padidintas DEG; mėlyna: sumažintas DEG; pilka: nepakitę genai. Atrinkti DEG, pažymėti genų simboliais. Remiantis visais kupranugarių DEG, buvo atlikta per didelio kelių vaizdavimo analizė: d Per daug atstovaujama GO: biologiniai procesai. e Per daug atstovaujama GO: KEGG keliai. Daugkartinei palyginimo korekcijai buvo naudojama Benjamini-Hochberg korekcija (padj≤0,05). Taškiniai brėžiniai iliustruoja WD ir su jais susijusių DEG praturtintus kelius. Žymiai praturtinti keliai yra išvardyti išilgai y ašies pagal padj reikšmę iš viršaus į apačią didėjančia tvarka. Su keliu susiję DEG žymimi spalvotais taškais. Taško spalva ir dydis rodo LFC ir nuorašo gausą, išmatuotą pagal vidutinį normalizuotą skaitymo skaičių, suderintą su kiekvienu genu visuose mėginiuose (bazinis vidurkis).

Venno diagrama, lyginanti WD kupranugarių ir žiurkių DEG.  b Per daug atstovaujama GO: biologiniai procesai, pagrįsti bendrais kupranugario ir žiurkės DEG.  c Per daug atstovaujama GO: KEGG keliai, pagrįsti bendrais kupranugario ir žiurkės DEG.  d Per daug atstovaujama GO: biologiniai procesai, pagrįsti unikaliais kupranugarių DEG.  e Per daug atstovaujama GO: KEGG keliai, pagrįsti unikaliais kupranugarių DEG.  Daugkartinei palyginimo korekcijai buvo naudojama Benjamini-Hochberg korekcija (padj≤0,05).  Taškiniai brėžiniai iliustruoja WD ir su jais susijusių genų praturtintus kelius.  Žymiai praturtinti keliai yra išvardyti išilgai y ašies pagal padj reikšmę iš viršaus į apačią didėjančia tvarka.  Su keliu susiję genai žymimi spalvotais taškais.  Taško spalva ir dydis rodo log2 karto pokytį (LFC) ir nuorašo gausą, išmatuotą pagal vidutinį normalizuotą skaitymo skaičių, suderintą su kiekvienu genu visuose mėginiuose (bazinis vidurkis).

3 pav. SON skirtingai išreikštų genų (DEG) palyginimas vandens netektuose kupranugariuose ir žiurkėse.a Venno diagrama, lyginanti WD kupranugarių ir žiurkių DEG. b Per daug atstovaujama GO: biologiniai procesai, pagrįsti bendrais kupranugario ir žiurkės DEG. c Per daug atstovaujama GO: KEGG keliai, pagrįsti bendrais kupranugario ir žiurkės DEG. d Per daug atstovaujama GO: biologiniai procesai, pagrįsti unikaliais kupranugarių DEG. e Per daug atstovaujama GO: KEGG keliai, pagrįsti unikaliais kupranugarių DEG. Benjamini-Hochberg korekcija (adj≤0,05) buvo naudojamas daugkartinei palyginimo korekcijai. Taškiniai brėžiniai iliustruoja WD ir su jais susijusių genų praturtintus kelius. Žymiai praturtinti keliai yra išvardyti išilgai y ašies pagal padj reikšmę iš viršaus į apačią didėjančia tvarka. Su keliu susiję genai žymimi spalvotais taškais. Taško spalva ir dydis rodo log2 karto pokytį (LFC) ir nuorašo gausą, išmatuotą pagal vidutinį normalizuotą skaitymo skaičių, suderintą su kiekvienu genu visuose mėginiuose (bazinis vidurkis).

Tada palyginome kupranugario SON transkriptus kontroliuojamomis ir vandens trūkumo sąlygomis. Nustatyta, kad 209 genų ekspresija labai pasikeitė dėl vandens trūkumo (2 pav.). Toliau lyginant WD kupranugarių SON transkriptą su mūsų anksčiau paskelbtu žiurkės transkriptu (Pauža ir kt., 2021), 80 bendrų skirtingai išreikštų genų, o 129 buvo unikaliai pakeisti kupranugarių SON (3 pav.). Be to, mes nustatėme pagrindinius genų kelius, kurie dažniausiai keičiami WD kupranugaryje ir žiurkėje (3 pav.), įskaitant kelią „Baltymų apdorojimas endoplazminiame tinklelyje“. Kaip ir žiurkėms, kupranugarių SON gali būti sustiprintas baltymų apdorojimas, kuris yra susijęs su padidėjusiu neuropeptidų sekrecijos poreikiu, endoplazminiu tinklelio stresu ir išsiskleidusio baltymo atsaku dėl nesulankstytų / netinkamai sulankstyto baltymo kaupimosi WD metu. Taip pat buvo nustatyti kiti genai ir keliai, kurie yra unikaliai pakeisti WD kupranugaryje SON (3 pav.) ir todėl gali būti būtini gyvybei sausringoje dykumoje, o tai rodo, kad kupranugarių SON gali būti papildomai pertvarkytas tarpląstelinėje matricoje, kad būtų skatinama sintezė. ir AVP bei OXT išleidimas. Sureguliuota ląstelių streso jutiklio baltymo IRE1 ekspresija, išskirtinai kupranugaryje, palaiko koncepciją, kad išsiskleidęs baltymo atsakas yra aktyvuojamas SON, galbūt kaip apsauginis mechanizmas neuronams sergant lėtiniu WD.

Siekdamas paremti didėjantį susidomėjimą osmoreguliaciniais procesais klasikiniuose graužikų modeliuose ir neįprastesniuose dykumos gyvūnuose, mano kolega Benas Gillardas sukūrė kelių rūšių / audinių raiškos analizės programą (apsilankykite https://bengillard.shinyapps.io/MultiSpeciesExpression/). kur lengvai pasiekiami žiurkės, kupranugarių dromedaro ir jerboa (dykumos graužikų modelis) transkriptominiai duomenys. Dominančių genų išraišką galima gauti naršant pagal genų pavadinimą šioje programoje. Nekantraujame gauti atsiliepimų apie šią programą!

Be kupranugarių pagumburio mėginių, buvo paimta daug kitų šių gyvūnų organų ir audinių. Šiuos pavyzdžius tiria daugybė grupių visame pasaulyje. Taigi per ateinančius metus pateiksime išsamų vaizdą apie bendrą kupranugario fiziologinį ir molekulinį atsaką į WD ir vėlesnę rehidrataciją. Tai suteiks vertingos informacijos dykumėjimo ir klimato kaitos kontekste ir gali būti naudojama prognozuojant ir vertinant, kaip įvairios rūšys prisitaikys prie nuolat kintančios aplinkos.

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.