在国家自然科学基金项目(项目编号:31722049,31772434)等资助下,中国科学院成都生物研究所李家堂研究团队和中国科学院昆明动物研究所张亚平研究团队等合作研究了温泉蛇的基因组,并通过比较基因组学揭示了其适应高海拔极端环境的遗传机制。研究成果以“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)为题,于2018年7月31日在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of AmericaPNAS《美国科学院院刊》)上在线发表。论文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.1805348115。

  极端环境生物可以在强辐射、缺氧等极端环境中繁衍生息,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。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(图)、四川温泉蛇Thermophis zhaoermii和香格里拉温泉蛇Thermophis shangrila,均为中国特有的珍稀物种,生活于青藏高原高海拔地区,主要栖息在温泉附近的石堆、水边和沼泽草甸。青藏高原寒冷、氧分压低、紫外线辐射强烈的特点,造成其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。青藏高原自身孕育了很多高原特有物种,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。早在1907年,温泉蛇作为唯一生活在青藏高原的蛇被英国人Frank Wall首次发现时,就已经“颠覆”了人们对当时已有蛇类的认知。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。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,而温泉蛇正好为揭开变温动物高海拔适应之谜提供了良好的动物模型。

  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,结合已发表的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种不同蛋白的27个共有氨基酸替换。这些突变多与免疫、低氧适应和DNA修复等功能相关。分子功能实验结果表明,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抵抗高海拔环境中的紫外线。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。

  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。

图 温泉蛇


文章来源:国家自然科学基金委阅读原文】。感谢您的支持!
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