中國科學家首次揭示世界上海拔分布最高的蛇類基因組

                          2018-08-03 11:12:07 來源: 科學大院 作者:

                          大多數生物通常都對其生存環境有一定要求,超出適宜的范圍就難以存活;但有一些生物卻可以在強輻射、缺氧等極端環境中繁衍生息,這類生物被稱為極端環境生物。

                          由于其獨特的生活環境,長期的適應性進化使得這些生物在基因結構組成、酶特性及代謝功能等方面均不同于其它生物。對于這些極端環境生物的研究,不僅在揭示生命起源、探索生命進化理論、生物多樣性等方面帶給研究者重要的啟示和拓展,而且在環境保護、能源利用、生物醫藥等方面都有廣泛利用。

                              北京時間2018年8月1日凌晨,國際學術期刊PNAS(《美國科學院院刊》)在線發表中國科學院成都生物研究所李家堂等研究團隊關于溫泉蛇研究的最新成果“Comparative genomic investigation of high-elevation adaptation in ectothermic snakes” (比較基因組學研究解析變溫動物蛇類對高海拔環境的適應,論文鏈接請點擊文末的“閱讀原文”)。該研究以分布于青藏高原的溫泉蛇為研究對象,解析了蛇類這種變溫動物適應高海拔極端環境的遺傳機制。

                          中國特有珍稀物種:溫泉蛇

                          溫泉蛇屬Thermophis隸屬于游蛇科,該屬目前包括三個物種:溫泉蛇Thermophis baileyi、四川溫泉蛇Thermophis zhaoermii和香格里拉溫泉蛇Thermophis shangrila,它們為中國特有的珍稀保護物種,是世界上分布海拔最高的蛇類之一。它們均生活于青藏高原海拔范圍為3500~4400米的地區,主要棲息在溫泉附近的石堆、水邊和沼澤草甸中。溫泉蛇的起源和演化與青藏高原的形成和隆起有著密切的聯系。

                          為什么要研究溫泉蛇?

                          目前,全世界已知蛇類約有3600種,主要分布在熱帶、亞熱帶和溫帶地區,少數在寒帶地區。從垂直分布來看,沿海、沿湖低地到海拔1000米上下的種類最多,有一部分種類分布在海拔2000~3000米的地方。但是,溫泉蛇卻是唯一一種生活在青藏高原海拔4000米以上的蛇,早在1907年,英國人Frank Wall首次發現溫泉蛇時,就已經“顛覆”了人們對當時現有蛇類的認知。

                          青藏高原具有寒冷、氧分壓低、紫外線輻射強烈的特點,許多地區不適合人類居住甚至是生命禁區,是亞洲人口最稀少的地區。但青藏高原自身卻孕育了很多高原特有物種,包括特有脊椎動物280多種,珍稀瀕危動物120多種。其中,野牦牛、藏野驢、藏原羚、普氏原羚、雪豹、巖羊等物種已被列入全球珍稀瀕危物種。

                          野牦牛 (圖片來源于百度圖片)

                          藏野驢  (圖片來源于百度圖片)

                          白唇鹿  (圖片來源于百度圖片)

                          因此,青藏高原被稱作是一座研究生物適應高原環境變化機制的自然實驗室。前期的許多研究都集中在恒溫動物對高原的適應,如高原人類、高原牦牛等。缺乏對高原變溫動物適應高原環境遺傳機制的研究,而溫泉蛇正好為我們揭開變溫動物高海拔適應之謎提供了良好的動物模型。

                          溫泉蛇如何適應極端環境?

                          該研究通過對溫泉蛇進行全基因測序,將得到的全基因組序列和同屬物種及親緣關系較近的低海拔物種全基因組進行重測序,融合已發表的9個低海拔物種全基因組序列,利用比較基因組學分析,在高海拔溫泉蛇屬三個物種中發現了27個不同蛋白中的27個共有氨基酸替換。

                          分子功能實驗驗證的結果表明,這些突變多與免疫、低氧適應應答和DNA修復等功能相關。

                          與DNA修復相關的FEN1(瓣狀核酸內切酶-1)基因的突變型相對于野生型(低海拔物種基因類型)在紫外照射下具有更強的穩定性,推測突變有助于溫泉蛇屬物種在高海拔環境中對紫外線的抵抗。

                          與西藏人相似,作為高原物種,溫泉蛇EPAS1(內皮PAS結構域包含蛋白-1)基因的突變減弱了其調節下游基因紅細胞生成素表達的能力,進而導致溫泉蛇血紅蛋白濃度處于較低水平,是溫泉蛇適應高海拔低氧條件的重要原因。

                          FEN1和EPAS1基因的分子生物學證據

                          展望

                          近年來,隨著我國“西部大開發”,“一帶一路倡議”和“第二次青藏高原科學考察”的順利推進,越來越多的人群進入高原開展工作,但極端的高原環境可能造成嚴重的高原反應,甚至引發高原病。從恒溫動物和變溫動物綜合開展高原極端環境的遺傳機制研究將為人類高原病的預防和治療提供一定的參考價值。

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                          責任編輯:符雪苑
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