【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輸和氧存儲有關(guān)。近十幾年隨著測序技術(shù)和基因組研究的發(fā)展,在脊椎動物中又發(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,如氧運輸、ROS防御和NO代謝等,因此它們可能在動物高原低氧適應中發(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中的潛在機制。研究思路和技術(shù)路線為:1)通過比較基因組分析的方法確定有鱗類動物基因組中g(shù)lobin基因家族的保留現(xiàn)狀;2)通過比較轉(zhuǎn)錄組分析的方法研究globin基因家族成員在蜥蜴類動物中的表達譜、組織特異性表達和海拔依賴的差異表達模式;3)通過生理生化、分子進化和蛋白結(jié)構(gòu)分析探討高海拔沙蜥屬蜥蜴globin家族成員的適應性進化機制。主要研究結(jié)果如下:基因組分析表明有鱗類動物保留了除GbE外所有脊椎動物globin基因家族成員包括兩個拷貝的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動物都表達αA、αD、β1、β2、Mb、Ngb和Cygb,但GbY、GbX和Adgb僅在部分蜥蜴中表達。四足類動物α基因進化關(guān)系研究表明,αE、αD和αA基因起源于四足類動物干譜系的兩次單基因復制。αA和αE起源于一個原α基因的第一次基因串聯(lián)復制,αD基因起源于四足類動物干譜系中αA基因的一次串聯(lián)復制。隨后αD與αE基因間的轉(zhuǎn)換使得爬行動物和鳥類成體表達的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)進化相對不完善(具有較哺乳類簡單的肺結(jié)構(gòu))的動物類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)的高表達使得其總血紅蛋白濃度[Hb]升高,升高的[Hb]可以有效增加動脈氧容量從而提高低氧環(huán)境下血液氧運輸?shù)男�。其�?沙蜥屬蜥蜴Hb表現(xiàn)出較高的多態(tài)性,在這點上與鳥類和龜鱉類相似,包括4種Hb亞型HbAA1、HbAA2、Hb AD1和HbAD2(按預測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,這將導致紅尾沙蜥全血氧親和力相應升高。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程,同時低氧親和力的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的突變在該區(qū)域增加了一個側(cè)鏈羥基,該羥基可以通過氫鍵與61位和65位Lys相互作用,從而增大了63位遠端組氨酸與血紅素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的獨特結(jié)構(gòu)既有利于肺部氧氣裝載的過程,又有利于血液在流經(jīng)氧組織時氧氣的卸載過程。作者認為紅尾沙蜥這兩種血液氧親和力的調(diào)節(jié)方式是其適應高原低氧環(huán)境重要機制,該機制在其它動物中尚未見報道。急性低氧條件下,紅尾沙蜥和荒漠沙蜥并沒有出現(xiàn)類似于哺乳類和鳥類的低氧誘導的呼吸加速反應,說明沙蜥屬蜥蜴呼吸調(diào)節(jié)系統(tǒng)對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)境下的長期進化有關(guān),可能涉及外周化學感受器對氧濃度變化的脫敏性調(diào)節(jié),具體機制還需進一步研究。紅尾沙蜥較高的呼吸頻率并沒有造成呼吸性堿中毒(兩種沙蜥血液pH無差異),因此我們認為紅尾沙蜥較高的呼吸頻率是在高原環(huán)境中長期進化出的適應性特征。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表達顯著高于荒漠沙蜥。此外,我們在高海拔紅尾沙蜥的腦和肝臟中也檢測到Mb基因的表達,而在低海拔的荒漠沙蜥這兩個組織中不表達Mb。但由于表達量相對較低,作者認為Mb在沙蜥腦和肝臟中的功能可能不涉及氧氣的運輸。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),有文獻報道這種狀態(tài)的Mb具有亞硝酸還原酶活性,能促進NO的生成,因此我們推測,紅尾沙蜥腦和肝臟中表達的Mb可能主要參與NO介導的血流量調(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,有利于其從線粒體表面到細胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移。因此我們推測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在肝臟中的表達顯著上調(diào)。肝臟是機體代謝最活躍的器官之一,低氧會抑制肝臟的有氧代謝過程。Cygb-X1在高海拔紅尾沙蜥肝臟中的表達上調(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程,提高其氧親和力以及組織氧供應效率。以上結(jié)果表明Cygb-X1在不同沙蜥物種可能進化出不同的高原適應機制�？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特征,本文的這些研究成果填補了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機制中的作用的空白,有助于進一步豐富和完善動物高原低氧適應生理生化機制的理論體系,并為高原醫(yī)學的研究和發(fā)展提供參考。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：Q494

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本文編號：2473606