中国科学家首次揭示世界上海拔分布最高的蛇类基因组

2018-08-03 11:12:07 来源: 科学大院 作者:

大多数生物通常都对其生存环境有一定要求,超出适宜的范围就难以存活;但有一些生物却可以在强辐射、缺氧等极端环境中繁衍生息,这类生物被称为极端环境生物。

由于其独特的生活环境,长期的适应性进化使得这些生物在基因结构组成、酶特性及代谢功能等方面均不同于其它生物。对于这些极端环境生物的研究,不仅在揭示生命起源、探索生命进化理论、生物多样性等方面带给研究者重要的启示和拓展,而且在环境保护、能源利用、生物医药等方面都有广泛利用。

    北京时间2018年8月1日凌晨,国际学术期刊PNAS(《美国科学院院刊》)在线发表中国科学院成都生物研究所李家堂等研究团队关于温泉蛇研究的最新成果“Comparative genomic investigation of high-elevation adaptation in ectothermic snakes” (比较基因组学研究解析变温动物蛇类对高海拔环境的适应,论文链接请点击文末的“阅读原文”)。该研究以分布于青藏高原的温泉蛇为研究对象,解析了蛇类这种变温动物适应高海拔极端环境的遗传机制。

中国特有珍稀物种:温泉蛇

温泉蛇属Thermophis隶属于游蛇科,该属目前包括三个物种:温泉蛇Thermophis baileyi、四川温泉蛇Thermophis zhaoermii和香格里拉温泉蛇Thermophis shangrila,它们为中国特有的珍稀保护物种,是世界上分布海拔最高的蛇类之一。它们均生活于青藏高原海拔范围为3500~4400米的地区,主要栖息在温泉附近的石堆、水边和沼泽草甸中。温泉蛇的起源和演化与青藏高原的形成和隆起有着密切的联系。

为什么要研究温泉蛇?

目前,全世界已知蛇类约有3600种,主要分布在热带、亚热带和温带地区,少数在寒带地区。从垂直分布来看,沿海、沿湖低地到海拔1000米上下的种类最多,有一部分种类分布在海拔2000~3000米的地方。但是,温泉蛇却是唯一一种生活在青藏高原海拔4000米以上的蛇,早在1907年,英国人Frank Wall首次发现温泉蛇时,就已经“颠覆”了人们对当时现有蛇类的认知。

青藏高原具有寒冷、氧分压低、紫外线辐射强烈的特点,许多地区不适合人类居住甚至是生命禁区,是亚洲人口最稀少的地区。但青藏高原自身却孕育了很多高原特有物种,包括特有脊椎动物280多种,珍稀濒危动物120多种。其中,野牦牛、藏野驴、藏原羚、普氏原羚、雪豹、岩羊等物种已被列入全球珍稀濒危物种。

野牦牛 (图片来源于百度图片)

藏野驴  (图片来源于百度图片)

白唇鹿  (图片来源于百度图片)

因此,青藏高原被称作是一座研究生物适应高原环境变化机制的自然实验室。前期的许多研究都集中在恒温动物对高原的适应,如高原人类、高原牦牛等。缺乏对高原变温动物适应高原环境遗传机制的研究,而温泉蛇正好为我们揭开变温动物高海拔适应之谜提供了良好的动物模型。

温泉蛇如何适应极端环境?

该研究通过对温泉蛇进行全基因测序,将得到的全基因组序列和同属物种及亲缘关系较近的低海拔物种全基因组进行重测序,融合已发表的9个低海拔物种全基因组序列,利用比较基因组学分析,在高海拔温泉蛇属三个物种中发现了27个不同蛋白中的27个共有氨基酸替换。

分子功能实验验证的结果表明,这些突变多与免疫、低氧适应应答和DNA修复等功能相关。

与DNA修复相关的FEN1(瓣状核酸内切酶-1)基因的突变型相对于野生型(低海拔物种基因类型)在紫外照射下具有更强的稳定性,推测突变有助于温泉蛇属物种在高海拔环境中对紫外线的抵抗。

与西藏人相似,作为高原物种,温泉蛇EPAS1(内皮PAS结构域包含蛋白-1)基因的突变减弱了其调节下游基因红细胞生成素表达的能力,进而导致温泉蛇血红蛋白浓度处于较低水平,是温泉蛇适应高海拔低氧条件的重要原因。

FEN1和EPAS1基因的分子生物学证据

展望

近年来,随着我国“西部大开发”,“一带一路倡议”和“第二次青藏高原科学考察”的顺利推进,越来越多的人群进入高原开展工作,但极端的高原环境可能造成严重的高原反应,甚至引发高原病。从恒温动物和变温动物综合开展高原极端环境的遗传机制研究将为人类高原病的预防和治疗提供一定的参考价值。

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责任编辑:符雪苑