W poszukiwaniu adaptacyjnej zmienności w genomie szeroko rozmieszczonego rysia eurazjatyckiego i krytycznie zagrożonego rysia iberyjskiego

Celem projektu było zbadanie podobieństw i różnic między zmiennością genetyczną obserwowaną w przypadku
markerów neutralnych, na które nie działa dobór naturalny, a różnorodnością funkcjonalną będącą pod wpływem
doboru. Dokonano tego na podstawie analiz zmienności genomu dwóch blisko spokrewnionych gatunków dużych
drapieżników: rysia eurazjatyckiego (Lynx lynx) i rysia iberyjskiego (L. pardinus). Ponieważ gatunki te znacząco
się różnią pod względem demografii populacji (ryś iberyjski znalazł się na skraju wyginięcia, a ryś eurazjatycki,
choć jego populacje są bardzo zróżnicowane pod względem demograficznym, jest jednym z najszerzej
rozmieszczonych kotowatych na świecie), stanowią one dobry model do analizowania genetycznych podstaw
procesów adaptacyjnych oraz ich związku z zanikaniem populacji. Badania opierały się na założeniu, że
różnorodność warunków środowiskowych i klimatycznych zamieszkiwanych przez rysia eurazjatyckiego może
generować nieliczne, ale znaczące zmiany w funkcjonalnej części jego genomu, a także metylomu (zmienności
epigenetycznej) wynikające z adaptacji zwierząt do różnych lokalnych warunków. Koncepcja projektu polegała
na badaniu tych procesów w trzech uzupełniających się etapach opartych o resekwencjonowanie genomu rysia:
1) Prześledzenie historii demograficznej i ewolucyjnej oraz rekonstrukcja filogeografii rysi na podstawie
analiz sekwencji mitogenomu oraz neutralnych sekwencji genomu jądrowego.
2) Resekwencjonowanie genomu w poszukiwaniu śladów działania doboru naturalnego związanego z
czynnikami środowiskowymi.
3) Badanie metylacji genomu w poszukiwaniu zmienności epigenetycznej i jej roli w procesach
biologicznych, w tym w początkowych stadiach specjacji i dywergencji międzypopulacyjnej.
Dzięki współpracy wielu biologów w międzynarodowym zespole projektu udało się pozyskać i przeanalizować
próbki kilkudziesięciu rysi z dwunastu różnych populacji w obrębie eurazjatyckiego zasięgu, żyjących w skrajnie
odrębnych warunkach od lasów strefy umiarkowanej północno-wschodniej Polski, przez pustynię Gobi, tajgę
północnej Syberii po daleko-wschodnie wybrzeża Rosji. Próbki poddano sekwencjonowaniu i dokonano ich
anotacji do zbadanego już wcześniej genom rysia iberyjskiego. Dużym sukcesem projektu jest odtworzenie
historii ewolucyjnej i demografii rysia eurazjatyckiego na przestrzeni Plejstocenu, począwszy od okresu specjacji
od wspólnego przodka z rysiem kanadyjskim (L. canadensis) i zbadanie poziomu zmienności genomu tego
gatunku na całym eurazjatyckim obszarze zasięgu gatunku. Badania te wykazały niezwykle niski poziom
zmienności ogólnogenomowej u tego gatunku, która daje świadectwo siły i tempa erozji genetycznej
powodowanej zarówno zmianami klimatu, jak i rozwojem cywilizacji. Z drugiej strony, ta niska zmienność i
jednorodność genomowa gatunku widoczna na olbrzymich połaciach kontynentu zasiedlanego przez ten gatunek
pokazuje, że pomimo niezmiernie różnorodnych warunków klimatyczno-środowiskowych, ryś jest
prawdopodobnie zwierzęciem o szerokich zdolnościach adaptacyjnych. Nasze badania pokazały, że choć
występowanie zmienności adaptacyjnej u tego gatunku jest wysoce prawdopodobne, to dotyczy ona bardzo małej
(około 0.01%) części genomu. Analizy bioinformatyczne mające na celu wyłonienie konkretnych genów i
powiązanie ich z adaptacjami do środowiska nie zostały jeszcze ostatecznie zakończone, ale udało się
zidentyfikować około 260 SNP-ów, które z bardzo wysokim prawdopodobieństwem podlegają działaniu doboru
naturalnego. Wstępne wyniki wskazują na możliwość selekcyjnego oddziaływania średniej rocznej temperatury
na zmienność adaptacyjną rysia. Wynik ten jest tym bardziej ciekawy, że wpływ temperatury został również
wyłoniony, jako czynnik związany ze zmiennością ubarwienia tych drapieżników.
Podjęto również próbę zbadania zmienności epigenetycznej obu gatunków rysi, polegającej na analizowaniu
stopnia metylacji różnych fragmentów genomu, która może pojawiać się wcześniej niż zmiany w genomie i przez
to stanowić istotny mechanizm adaptacyjny. Badania potwierdziły występowanie różnic w poziomie metylacji
zarówno między gatunkami, jak i między badanymi populacjami. Różnice te powiązano z procesami
biologicznymi (np. wiązaniem białek, wewnątrzkomórkowym szlakiem sygnałowym, aktywnością transferazy),
za które odpowiedzialne są geny o zróżnicowanej metylacji i wykazano, że różnice między rysiem iberyjskim i
eurazjatyckim dotyczą 20 procesów, natomiast między dwoma populacjami gatunku eurazjatyckiego dotyczą 27
procesów. Znaczenie funkcjonalne i ewolucyjne stwierdzonego zróżnicowania jest obecnie obiektem analiz.
Dzięki możliwości zbadania i porównania całych genomów z populacji dwóch siostrzanych gatunków rysi
różniących się kontrastowo historią demografii projekt dostarczył również cennych danych o mechanizmach
zjawiska oczyszczania oraz doboru stabilizującego w populacjach narażonych na wysoki stopień inbredu i
obciążenia genomowego. Wykazano, że obciążenie genomowe w przypadku niektórych szkodliwych mutacji jest
mniejsze u rysia iberyjskiego niż eurazjatyckiego oraz, że pomimo przejścia przez genetyczne wąskie gardło,
geny MHC stanowiące element układu immunologicznego, zachowały swoją funkcjonalną zmienność. Powyższe
wyniki sugerują również, że pomimo rozległej erozji genetycznej takich populacji, może nastąpić pewne
ograniczenie depresji inbredowej, które może umożliwić jej przetrwanie. Zastosowanie technologii genomowych
w tym projekcie umożliwi m.in. rozwój biologii konserwatorskiej, szczególnie w odniesieniu do badań potencjału
adaptacyjnego populacji dużych drapieżników znajdujących się w stanie krytycznego zagrożenia.