【摘要】：血紅蛋白(Hb)和肌紅蛋白(Mb)是globin家族中研究最透徹的兩種蛋白,它們的功能主要與氧運(yùn)輸和氧存儲(chǔ)有關(guān)。近十幾年隨著測(cè)序技術(shù)和基因組研究的發(fā)展,在脊椎動(dòng)物中又發(fā)現(xiàn)了多種globin家族的新成員,截止到目前這些新成員包括neuroglobin(Ngb)、cytoglobin(Cygb)、androglobin(Adgb)、globin E(GbE)、globin X(GbX)和globin Y(GbY)。研究表明,這些新發(fā)現(xiàn)的globin家族蛋白通常具有與Hb和Mb相似的生理功能,如氧運(yùn)輸、ROS防御和NO代謝等,因此它們可能在動(dòng)物高原低氧適應(yīng)中發(fā)揮重要作用。本論文的主要目的是研究沙蜥屬蜥蜴globin基因家族成員在高海拔適應(yīng)中的潛在機(jī)制。研究思路和技術(shù)路線(xiàn)為:1)通過(guò)比較基因組分析的方法確定有鱗類(lèi)動(dòng)物基因組中g(shù)lobin基因家族的保留現(xiàn)狀;2)通過(guò)比較轉(zhuǎn)錄組分析的方法研究globin基因家族成員在蜥蜴類(lèi)動(dòng)物中的表達(dá)譜、組織特異性表達(dá)和海拔依賴(lài)的差異表達(dá)模式;3)通過(guò)生理生化、分子進(jìn)化和蛋白結(jié)構(gòu)分析探討高海拔沙蜥屬蜥蜴globin家族成員的適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制。主要研究結(jié)果如下:基因組分析表明有鱗類(lèi)動(dòng)物保留了除GbE外所有脊椎動(dòng)物globin基因家族成員包括兩個(gè)拷貝的α(αA和αD)和β(β1和β2)、單拷貝的Mb、Ngb、Cygb、GbY、GbX和Adgb。我們研究的所有蜥蜴類(lèi)動(dòng)物都表達(dá)αA、αD、β1、β2、Mb、Ngb和Cygb,但GbY、GbX和Adgb僅在部分蜥蜴中表達(dá)。四足類(lèi)動(dòng)物α基因進(jìn)化關(guān)系研究表明,αE、αD和αA基因起源于四足類(lèi)動(dòng)物干譜系的兩次單基因復(fù)制。αA和αE起源于一個(gè)原α基因的第一次基因串聯(lián)復(fù)制,αD基因起源于四足類(lèi)動(dòng)物干譜系中αA基因的一次串聯(lián)復(fù)制。隨后αD與αE基因間的轉(zhuǎn)換使得爬行動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)成體表達(dá)的αD型血紅蛋白亞型具有較αA型高的氧親和力,可以有效提高肺部氧氣的獲取效率,因而在肺部結(jié)構(gòu)進(jìn)化相對(duì)不完善(具有較哺乳類(lèi)簡(jiǎn)單的肺結(jié)構(gòu))的動(dòng)物類(lèi)群中具有重要的生理意義。生活在青藏高原上的紅尾沙蜥是世界上海拔分布最高的蜥蜴,與低海拔分布的荒漠沙蜥相比,紅尾沙蜥的血紅蛋白(Hb)涉及多個(gè)方面的改變。首先,紅尾沙蜥Hb基因(αA、αD和β1差異顯著)的高表達(dá)使得其總血紅蛋白濃度[Hb]升高,升高的[Hb]可以有效增加動(dòng)脈氧容量從而提高低氧環(huán)境下血液氧運(yùn)輸?shù)男省Ｆ浯?沙蜥屬蜥蜴Hb表現(xiàn)出較高的多態(tài)性,在這點(diǎn)上與鳥(niǎo)類(lèi)和龜鱉類(lèi)相似,包括4種Hb亞型HbAA1、HbAA2、Hb AD1和HbAD2(按預(yù)測(cè)的氧親和力從低到高排列)。與荒漠沙蜥相比,紅尾沙蜥αD/αA(高氧親和力與低氧親和力Hb亞型的比值)顯著升高,這將導(dǎo)致紅尾沙蜥全血氧親和力相應(yīng)升高。高氧親和力Hb亞型比例的升高有利于紅尾沙蜥肺部氧氣的裝載過(guò)程,同時(shí)低氧親和力的HbAA1和HbAA2的存在可以保證在需氧組織處氧氣的卸載過(guò)程不受影響。最后,與荒漠沙蜥HbAA2(αAβ2)亞型相比,紅尾沙蜥β2亞基21位氨基酸Gly到Ser的突變?cè)谠搮^(qū)域增加了一個(gè)側(cè)鏈羥基,該羥基可以通過(guò)氫鍵與61位和65位Lys相互作用,從而增大了63位遠(yuǎn)端組氨酸與血紅素Fe2+之間的距離。這一距離的增加使得Hb與氧氣結(jié)合過(guò)程的空間位阻減小,從而有利于其與氧結(jié)合和解離。因此紅尾沙蜥HbAA2的獨(dú)特結(jié)構(gòu)既有利于肺部氧氣裝載的過(guò)程,又有利于血液在流經(jīng)氧組織時(shí)氧氣的卸載過(guò)程。作者認(rèn)為紅尾沙蜥這兩種血液氧親和力的調(diào)節(jié)方式是其適應(yīng)高原低氧環(huán)境重要機(jī)制,該機(jī)制在其它動(dòng)物中尚未見(jiàn)報(bào)道。急性低氧條件下,紅尾沙蜥和荒漠沙蜥并沒(méi)有出現(xiàn)類(lèi)似于哺乳類(lèi)和鳥(niǎo)類(lèi)的低氧誘導(dǎo)的呼吸加速反應(yīng),說(shuō)明沙蜥屬蜥蜴呼吸調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)急性低氧條件并不敏感。兩種沙蜥呼吸系統(tǒng)鈍化的低氧敏感性可能是沙蜥屬蜥蜴的共同表型與棲息地的海拔高度沒(méi)有直接關(guān)系。種間比較結(jié)果顯示,紅尾沙蜥在常氧和低氧條件下呼吸頻率顯著大于低海拔的荒漠沙蜥,而心率卻顯著低于荒漠沙蜥。兩種沙蜥呼吸頻率和心率很可能與特定環(huán)境下的長(zhǎng)期進(jìn)化有關(guān),可能涉及外周化學(xué)感受器對(duì)氧濃度變化的脫敏性調(diào)節(jié),具體機(jī)制還需進(jìn)一步研究。紅尾沙蜥較高的呼吸頻率并沒(méi)有造成呼吸性堿中毒(兩種沙蜥血液pH無(wú)差異),因此我們認(rèn)為紅尾沙蜥較高的呼吸頻率是在高原環(huán)境中長(zhǎng)期進(jìn)化出的適應(yīng)性特征。與辛英等(2015年)的研究結(jié)果相符,轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果也證明了紅尾沙蜥心臟和骨骼肌中Mb表達(dá)顯著高于荒漠沙蜥。此外,我們?cè)诟吆０渭t尾沙蜥的腦和肝臟中也檢測(cè)到Mb基因的表達(dá),而在低海拔的荒漠沙蜥這兩個(gè)組織中不表達(dá)Mb。但由于表達(dá)量相對(duì)較低,作者認(rèn)為Mb在沙蜥腦和肝臟中的功能可能不涉及氧氣的運(yùn)輸。在代謝活躍(氧分壓較低)的腦和肝臟組織中的Mb主要為去氧合態(tài),有文獻(xiàn)報(bào)道這種狀態(tài)的Mb具有亞硝酸還原酶活性,能促進(jìn)NO的生成,因此我們推測(cè),紅尾沙蜥腦和肝臟中表達(dá)的Mb可能主要參與NO介導(dǎo)的血流量調(diào)節(jié)。盡管目前globin家族新成員的生理功能尚不明確,但本研究的結(jié)果表明Ngb和Cygb可能在沙蜥屬蜥蜴的高原適應(yīng)中起到重要作用。高海拔沙蜥Ngb的11、33、37和131位氨基酸突變顯著提高了該蛋白的親水性,有利于其從線(xiàn)粒體表面到細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移。因此我們推測(cè)高海拔沙蜥屬蜥蜴很可能在胞漿中積累較高濃度Ngb,行使其在胞漿中氧運(yùn)輸、NO解毒和ROS防御等生理功能。與荒漠沙蜥相比紅尾沙蜥Cygb-X1在肝臟中的表達(dá)顯著上調(diào)。肝臟是機(jī)體代謝最活躍的器官之一,低氧會(huì)抑制肝臟的有氧代謝過(guò)程。Cygb-X1在高海拔紅尾沙蜥肝臟中的表達(dá)上調(diào)很可能有利于緩解肝臟的低氧壓力。蛋白結(jié)構(gòu)分析表明,高海拔的貴德沙蜥與荒漠沙蜥相比194位氨基酸的突變可能使得Cygb-X1二聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低,從而有利于其氧和的解聚過(guò)程,提高其氧親和力以及組織氧供應(yīng)效率。以上結(jié)果表明Cygb-X1在不同沙蜥物種可能進(jìn)化出不同的高原適應(yīng)機(jī)制�？傊�,沙蜥屬蜥蜴globin家族成員(除GbY外)呈現(xiàn)出多樣化的高原適應(yīng)特征,本文的這些研究成果填補(bǔ)了globin家族新成員的研究以及該蛋白家族在沙蜥屬蜥蜴高原適應(yīng)機(jī)制中的作用的空白,有助于進(jìn)一步豐富和完善動(dòng)物高原低氧適應(yīng)生理生化機(jī)制的理論體系,并為高原醫(yī)學(xué)的研究和發(fā)展提供參考。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：Q494

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本文編號(hào)：2473606