Якутские коровы приспособились к холодам за счет древних генов и новой мутации

Якутские коровы выживают в экстремальном климате Северо-Восточной Азии благодаря набору генетических вариантов, унаследованных от предков всех домашних быков, но утраченных другими европейскими породами, а также совершенно новой мутации в гене NRAP. Последняя связана с работой мышц и, вероятно, помогает сердцу более эффективно перекачивать кровь. Интересно, что аналогичную мутацию независимо приобрели некоторые другие виды млекопитающих, которые впадают в спячку или ныряют на большую глубину. Результаты исследования команды российских, британских и австралийских специалистов опубликованы в статье для журнала Molecular Biology and Evolution.

Домашние коровы (Bos taurus) относятся к числу важнейших сельскохозяйственных животных. Люди приручили их предков — туров (B. primigenius) от восьми до десяти тысяч лет назад, причем сделали это независимо на Ближнем Востоке и на Индийском субконтиненте. С тех пор коровы расселились по всем континентам (кроме Антарктиды) и многим островам, адаптируясь к местным условиям. Например, некоторые породы приспособились к жизни в экстремально жарких регионах.

Другим популяциям, напротив, пришлось справляться с трудностями холодного климата. Особенно преуспели в этом якутские коровы, которые могут выживать в двухстах километрах за Северным полярным кругом и переносить температуры ниже -60 градусов по Цельсию. Эта порода возникла в районе Байкала, а затем около 800 лет назад вместе с якутами широко распространилась по северо-востоку Азии. К сожалению, точное происхождение этих выносливых копытных и генетические особенности, которые делают их устойчивыми к морозам, до сих пор остаются неизвестными.

Разобраться в этом вопросе решила команда российских, британских и австралийских биологов во главе с Денисом Ларкиным (Denis M. Larkin) из Королевского ветеринарного колледжа. Специалисты сравнили образцы геномов двадцати якутских коров и двадцати коров холмогорской породы, которая возникла на севере европейской части России и тоже хорошо приспособлена к холодам, хотя и не таким экстремальным. Также в анализ добавили данные о двух других породах — голштинской и корейской хану, первая из которых родственна холмогорской, а вторая — якутской. А для изучения истории якутских коров выборку дополнили образцами, полученными от 113 особей, представляющих китайские, индийские и африканские породы из линии зебу (B. t. indicus) и пять видов быков: домашний як (Bos grunniens), бантенг (B. javanicus), гаял (B. frontalis), гаур (B. gaurus) и бизон (Bison bison).

Исследование показало, что эволюционная линия якутских коров разошлась с предшественниками европейских пород около пяти тысяч лет назад. Для сравнения, предки холмогорской и голштинской пород разделились всего около трехсот лет назад. При этом в геноме якутских коров были обнаружены следы резкого сокращения численности около трехсот лет назад. Возможно, они связаны с включением Якутии в состав России в XVII веке. Последовавшие за этим эпидемии оспы и других инфекционных болезней сократили местное население примерно на 70 процентов, что отрицательно сказалось на поголовье скота. Порода остается редкой и сегодня: по разным источникам, сохранилось около одной-двух тысяч чистокровных животных.

Ранее высказывалось предположение, что в происхождение якутских коров внесли вклад зебу. Ларкин и его коллеги нашли ряд подтверждений этой гипотезе — однако они вступали в конфликт с другими результатами. Более тщательный анализ продемонстрировал, что предки якутских коров не скрещивались с зебу, а сохранили общие с ними генетические варианты, которые присутствовали и у предков европейских пород, но со временем исчезли или стали очень редкими в результате селекции, направленной на более интенсивное производство молока и мяса. Среди данных вариантов есть те, что отвечают за терморегуляцию — возможно, зебу они помогают выживать в экстремально жарком, а якутским коровам — в экстремально холодном климате.

Специалисты также обнаружили у якутских коров уникальный генетический вариант, отсутствующий у всех остальных пород и других видов быков, включенных в исследование. Речь о замене гуанина на тимин в очень консервативном гене NRAP, который кодирует относящийся к небулину якорный белок. Данное вещество связывает актиновые филаменты в скелетных мышцах и миокарде.

Анализ геномов 113 видов млекопитающих выявил аналогичную мутацию у 16 из них. В первую очередь это виды, приспособленные впадать в спячку, например, некоторые летучие мыши и мелкие лемуры. Кроме того, такая же замена в гене NRAP есть у моржей, одного вида морских львов и двух видов настоящих тюленей. Они в спячку не впадают, однако ищут корм в холодной воде и, подобно гибернирующим животным, замедляют сердечный ритм во время ныряния.

Исследователи предположили, что якутским коровам мутация в NRAP помогает переживать холода. Однако оставалось неясным, возникла ли она с нуля или передалась от каких-то других быков, которые жили в Северо-Восточной Азии в прошлом. Чтобы выяснить это, Ларкин и его соавторы проанализировали древние геномы домашних быков, туров, диких яков (B. mutus) и степных зубров (Bison priscus), извлеченные из найденных в Сибири образцов возрастом от двух с половиной до пятидесяти тысяч лет. Ни в одном из них соответствующей мутации обнаружить не удалось — таким образом, у якутских коров она возникла с нуля и быстро распространилась по популяции. Вероятно, это произошло совсем недавно, уже после переселения якутов в Северо-Восточную Азию 800 лет назад.

По словам авторов, это интересный пример конвергентной эволюции на генетическом уровне. Приспосабливаясь к экстремальным климатическим условиям, якутский скот приобрел ту же мутацию, что характерна для некоторых других видов млекопитающих, живущих в сезонном климате или способных к глубоким погружениям под воду. Вероятно, благодаря мутантному белку сердце получает возможность эффективнее перекачивать кровь как при низких температурах, так и на большой глубине. Авторы надеются, что открытие этой необычной мутации у якутских коров поможет сделать другие породы крупного рогатого скота более устойчивыми к холодному климату. 

Многие популярные породы коров не слишком хорошо справляются с последствиями климатических изменений. Например, молочные коровы голштинской породы в жару испытывают сильный тепловой стресс из-за черных пятен на шкуре. Новозеландские ученые предложили решение этой проблемы: они осветлили окраску этих животных с помощью генного редактирования. В результате эксперимента на свет появились два теленка необычной серо-белой окраски.

Сергей Коленов