動物低氧適應的相關研究進展

張紹軍，李濟中，孔小艷，嚴達偉*(.云南農業大學動物科學技術學院，云南昆明6500;.云南省迪慶州動物疾病防治中心，云南迪慶674400)

低氧適應是機體在高原低氧、特殊低氧工作環境以及多種疾病所致機體氧獲得和氧運送障礙所致缺氧狀態下為維持基本生命活動所建立的一種保護性機制，其在生理學上表現為以心血管功能增強，血液系統攜氧能力提高和組織氧利用效能強化等為主要特征的多系統多層次的協調效應［1］。紅細胞和血紅蛋白在生物體內負責運輸氧氣，滿足機體對氧氣的需要，而紅細胞在數量增多的情況下紅細胞體積的減小會降低血液的黏滯性，進而不影響血液的流動速度，保證機體氧氣的運輸。因此，低氧適應的血液生理表現為血紅蛋白的濃度、血紅蛋白的親氧能力、紅細胞數量及體積的變化［2］。

低氧適應相關基因則指一類能夠接受低氧信號調節并參與缺氧適應性反應的基因群，是低氧適應機制極為重要的分子基礎。對低氧適應相關基因及其表達調控機制的研究將為探尋有效防治低氧損傷和促進低氧適應的醫學措施提供重要的科學依據。筆者對不同環境動物對低氧適應的生理特征和相關基因的研究進展進行了綜述。

1 動物對低氧適應的生理特征研究進展

1.1 高原動物對低氧的適應 紅細胞數和血紅蛋白數量增加是許多生活在高原動物的血液學特征。學者在對高原鼠兔肺血管收縮反應的研究中發現，高原鼠兔低氧性肺血管收縮反應(HPV)鈍化，肺動脈壓不高，無右心室肥大，紅細胞數(RBC)、紅細胞壓積(Hct)和血紅蛋白(Hb)不因海拔高度的增加而出現明顯改變，其生理特征與在相同環境下的移居大鼠及人類明顯不同，而與其他土生動物(如牦牛、南美洲高原駝羊等)相似。高原鼠兔對低氧環境的適應表現在氧解離曲線左移、P50值變小、紅細胞氧解離能力增強，最重要的是能增加組織對氧的利用。鼠兔的氧離曲線與大鼠相比不僅左移，而且中段坡度明顯陡峭而延長。這表明肺在這個水平肺具有較強的氧親和力，可使機體保持較高的PaO2和SaO2，不會因缺氧而引起紅細胞過度增生;在組織水平上，肺具有較強的氧釋放能力，使組織能夠獲得足夠的氧，滿足機體的需要［3］。鼠兔具有這種特殊的氧解離曲線，這是它適應低氧環境的重要機制之一。藏獒作為青藏高原土著犬種，通過全基因組SNP芯片掃描挖掘到藏獒基因組中12個低氧正選擇基因，包括EPAS1、SIRT7、PLXNA4和MAFG等。藏豬是青藏高原特有豬種，通過全基因組測序意外發現藏豬與家豬的分化相當于牦牛和家牛、人與黑猩猩之間的分化。通過基因家族的收縮和擴張分析發現，藏豬與家豬相比具有更多的鐵蛋白(Ferritin)基因，數量和種類都遠遠超過了人、牛、小鼠和狗，這充分揭示了藏豬適應高海拔的分子機制［4］。

1.2 穴居動物對低氧的適應 鼴形鼠是舊大陸幾種與眾不同類型的穴居嚙齒動物的統稱。其中，有些屬于鼢鼠科(Spalacidae，即鼴形鼠科)，有些屬于濱鼠科(Bathyergidae)，鼢鼠科的鼴形鼠有1屬(鼴形鼠屬〔Spalax〕)3種，分布于歐洲東部和東南部以及小亞細亞。鼴形鼠腿短、無尾，形態似鼴，體長15～30 cm;無外耳，眼小，完全為皮膚覆蓋;毛柔軟，呈淺黃灰色;吻寬闊，兩側各有1列硬毛，可能助于探路、獨居，以植物的地下部分為食，挖的地道范圍廣闊，有分隔的廁所、臥室和儲藏室。它們用強有力的門齒挖洞，用吻部將地道壁搗實。當鼴形鼠數量眾多時，會由于大量破壞莊稼而成為害獸。

鼴形鼠屬(Subterranean mole rat，Spalax)是一類耐低氧的模式動物，它們在一生的時間內都是在地下生活的，暴露于低氧高二氧化碳環境中(14.3%O2和 5.5%CO2)［5］。研究發現，歐洲鼴鼠(European mole，Talpa europaea)血紅蛋白具有高的氧親和力。歐洲鼴鼠組織的毛細血管密度高，從而使氧彌散距離變短，其血管內皮生長因子(VEGF)的表達量也比實驗室大鼠高［6］。低氧誘導因子(HIF)、血管內皮生長因子(VEGF)、促紅細胞生成素(EPO)和組織珠蛋白(Neuroglobin，Cytoglobin，Myoglobin)低氧適應性表達是鼴鼠低氧適應的重要機制［7-9］。全基因組測序結果表明鼴形鼠屬存在HIF1α和VHL低氧適應功能位點［10］。

1.3 鳥類對高空低氧的適應 鳥類要在高海拔的空中劇烈運動，那就要求它們必須要有適應氧氣稀薄的高空環境。鳥類與其他脊椎動物的區別在于獨特的氧氣運輸途徑。這些特征包括加強氣體在肺部的交換率，當大腦缺氧時保持氧氣的運輸和肺氧合，增強氧氣向外周組織的擴散和提高氧氣的利用率［11］。這些特點不是高空適應必需的，因為他們也是低地鳥類的特征，但仍然是耐缺氧和劇烈運動所需的重要特征。然而，鳥類出現了一些獨有的特征，以適應高海拔或高空的氧氣輸送通路。高空飛行的特點包括增強低氧通氣反應、有效的呼吸模式、較大的肺、具有高氧親和力的血紅蛋白、更強的氧氣擴散能力和更強的多變的心臟骨骼、肌代謝能力。這些獨特的性質可以提高鳥類在高空低氧飛行時氧氣的吸收、循環和有效利用。與它們的陸地親屬相比，高海拔生活的鳥類具有更大的翅膀，可以減少在低氧氣密度的高空中停留時的氧氣消耗。高空飛行的動物有許多的獨特性，但其在高空飛行的適應性和可塑性(馴化)目前尚不清楚。

1.4 潛水類動物對低氧的適應 鱷魚(Crocodilian)是迄今為止人類發現活著的最早和最原始的動物之一，它是在三疊紀至白堊紀的中生代(約2億年前)由兩棲類進化而來，延續至今仍是半水生且性情兇猛的爬行動物。能夠長時間潛入水中是鱷魚令人驚嘆的特性之一。揚子鱷(Chinese alligator)是我國特有的一種鱷魚，是世界上體型最細小的鱷魚品種之一。它既是古老的爬行動物，又是現在生存數量非常稀少、世界上瀕臨滅絕的爬行動物。在揚子鱷身上，至今還可以找到早先恐龍類爬行動物的許多特征，因此人們稱揚子鱷為“活化石”。揚子鱷對人們研究古代爬行動物的興衰和研究古地質學和生物的進化都有重要意義。經過上億年的生活，鱷魚進化出一套適應潛水的生理特征，包括在咽喉處生成1個小閥，以防止在潛水時水進入大咽喉、食道和氣管;增加肺壁的厚度，以抵抗水下的壓力;增加肺容量。在有氧潛水期間，氧氣比較缺少時鱷魚的心臟停止向肌肉供應血液，以確保大腦的能量供應［12］。心臟這種功能的切換受動脈血樣張力的控制。研究人員報道了瀕危揚子鱷的基因組序列，并描述了其獨特特征。利用新一代測序生成了314 Gb的原始序列，獲得了大小為2.3 Gb的基因組。利用從頭(Denovo)同源性RNA組合模型，研究人員預測出揚子鱷基因組中共有2.22萬個基因。這揭示出揚子鱷長時間潛水行為的遺傳基礎，包括碳酸氫鹽結合血紅蛋白基因復制、普通磷酸鹽結合氧運輸與特殊的碳酸氫鹽結合氧運輸共同發揮作用以及正選擇能量代謝、碳酸氫銨排泄和心肌收縮等。

利物浦大學綜合生物學研究所的科學家們對哺乳動物肌肉中的儲氧蛋白質-肌紅蛋白進行了研究，研究表明海洋哺乳動物如何儲存足夠的氧氣，在長達1 h的潛水過程中屏住呼吸，發現在鯨魚和海豹中這種蛋白質擁有特殊的“不粘”特性［13］。這就使它們能夠將大量的氧氣儲存到肌肉中而不會產生阻塞。研究表明，當達到足夠的濃度時蛋白質就會趨向于粘連在一起?？茖W家從各種哺乳動物的肌肉中提取出純肌紅蛋白，包括陸地上的奶牛、半水棲的水獺以及海洋中的巨頭鯨等。研究表明，屏息潛水的哺乳動物已經進化出一種非粘性的肌紅蛋白。海洋哺乳動物的肌紅蛋白是帶正電荷的。肌紅蛋白就像磁鐵的磁極一樣彼此排斥。這使海洋哺乳動物能將高濃度的肌紅蛋白存儲在肌肉中，并且避免它們粘在一起。這一發現讓科學家們清楚哺乳動物在進化過程中所發生的驚人變化。同時，研究人員通過鯨魚祖先的化石來預測它們的潛水時間。準確了解哺乳動物的身體如何高效地儲存氧氣，也將有助于醫學研究。復制這個過程能夠幫助輸送氧氣設備的開發，這種設備能夠在輸血無效時為病人的組織傳輸應急氧氣供應，但這項研究最大的影響是在進化生物學領域。

2 動物低氧適應的相關基因研究進展

2.1 促紅細胞生成素基因 促紅細胞生成素(EPO)基因是最先發現的低氧適應基因。在機體供氧不足時，EPO基因的mRNA表達水平明顯增加，紅細胞數明顯增多。在對EPO基因的研究過程中發現低氧誘導因子-1(HIF-1)和以HIF-1為介導的基因表達調控。HIF-1由α和β亞基組成，其中α亞基對氧敏感。在低氧條件下，α和β亞基形成1個異源二聚體，結合到基因啟動子和增強子區域的低氧應答元件(HREs)上，對低氧做出應答反應。在常氧條件下，HIF-α通過脯氨酰羥基化作用與腫瘤抑制蛋白(VHL)結合，使得HIF-α迅速降解;在低氧條件下，脯酰胺羥基化作用受到抑制，HIF-α結合到低氧應答元件(HRE)，誘導EPO基因表達［14］。李月明對甘肅鼢鼠進行了低氧適應研究，結果表明在低氧條件下甘肅鼢鼠EPO的表達水平高于大鼠［15］。陳雪梅等采用PCR-SSCP方法對牦牛的EPO基因的多態性進行了檢測，結果發現了AA、AB和BB 3種基因型，其中AB為優勢基因型，而A為優勢等位基因。同時，隨著海拔的升高，A等位基因的頻率逐漸升高，認為這種變化與牦牛的低氧適應性有關［16］。在對藏豬的研究中，EPO基因的mRNA表達量高于低地豬，EPO基因的低氧特異性高表達是藏豬低氧適應的分子基礎之一［17］。

2.2 血紅蛋白基因 血紅蛋白是由2個α亞基和2個β亞基組成的四聚體，β-珠蛋白基因編碼血紅蛋白的β亞基。由于血紅蛋白在氧氣中運輸起重要作用，結構變異會直接導致其氧親和力變化，進而影響動物對低氧的適應。1988年，Weber等研究發現β鏈135位的丙氨酸突變為纈氨酸，從而使得西藏牦牛血紅蛋白的親氧能力高于黃牛。然而，在對引入低海拔地區的牦牛β-珠蛋白基因研究發現，同樣在β-珠蛋白基因所編碼的135位氨基酸發生了變異，由疏水性的丙氨酸或纈氨酸變為親水性的天冬氨酸，該變異可能導致牦牛血紅蛋白的氧親和力降低。楊會強在對藏豬該基因的研究中，通過與平原豬的比較發現在β1鏈的58、75、119和137位均有氨基酸突變。其中，137位的氨基酸突變由丙氨酸變為纈氨酸，該位點的突變有利于提高藏豬血紅蛋白的親氧力，并且藏豬β-珠蛋白基因的表達水平顯著高于平原豬。在對鹿鼠的血紅蛋白進化和功能機制的研究中發現，β-珠蛋白的2個位點單倍型會抑制其對二磷酸甘油酸(DPG)的敏感，進而增強血紅蛋白對氧的親和力。高原哺乳動物具有高氧親和力的血紅蛋白是其適應低氧環境的特征之一［18］。白頭禿鷲和歐洲黑禿鷲HbD鏈與β鏈氨基酸序列完全相同，因而出現動物中不多見的4個亞基相同的Hb，此種HbD比HbA具有更高的氧親和力。斑頭雁是青藏高原一種最典型的耐低氧鳥類，突變Pro-119α造成了斑頭雁血紅蛋白高的血氧親和力，安第斯雁生活在南美海拔5 000～6 000 m的高原，其血紅蛋白突變機制與斑頭雁一致。血紅蛋白氧親和力的提高也是高原鳥類低氧適應的重要分子機制。

除了已經被發現的基因還有很多候選基因的作用未被發現，例如藏豬和藏獒的 α、β、δ、μ、ζ，ε 等基因。研究表明，ε基因是胚胎型次要血紅蛋白，可能是藏豬在胚胎期低氧適應的調控基因。但是，在胚胎期發揮的作用及其機制還需要進一步研究。

2.3 低氧誘導因子-2α HIF最早是由Semenza等在低氧誘導的細胞核提取物中發現的，是由α和β亞基組成的異二聚體，α和β亞基均包含bHLH結構域、PAS結構域、羧基末端的反式活化結構域及入核信號。序列同源性α亞基目前認為有3種:HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，三者均受氧濃度的調節，是調節HIF活性的功能亞單位，而β亞基不受氧濃度調節和影響，其功能可能與保持HIF結構穩定性及二聚化引起的活性構象轉變有關［14］。Favier等通過原位雜交技術發現，HIF-2α基因的mRNA在人類胚胎的血管壁、心內膜、腎小球和肝竇有較高表達。在正常氧壓條件下，HIF-2α在血管豐富的心、肺等組織中含量較高，而在白細胞中少有表達。低氧條件能夠明顯提高細胞內HIF-2α蛋白的含量，其機制可能是在HIF-2α蛋白內存在一種依賴氧壓的降解域，在常氧條件下HIF-2α蛋白質能夠迅速降解，而低氧能夠提高HIF-2α蛋白質的穩定性，使其含量升高。研究還發現，HIF-2αmRNA在不同組織內的含量變化與血管內皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)mRNA 含量的變化一致，表明HIF-2α可能通過調節VEGF基因的表達來影響內皮細胞的分布和功能。

低氧誘導因子-2α(Hypoxia-inducible factor-2α，HIF-2α)是高原民族人群以及高原動物經全基因組掃描獲得的低氧正選擇基因，HIF-2α基因是通路中的重要基因，在人類對低氧環境的調節通路中起到核心作用［14］。

2.4 紅細胞大小相關基因 跨膜絲氨酸蛋白酶6(Transmembrance protease serine 6，TMPRSS6)基因，也叫蛋白裂解酶-2(Matriptase-2)基因。研究發現，該基因在機體的鐵代謝調節中具有重要作用［2］。HU等利用化學誘變法獲得的突變小鼠有嚴重的缺鐵和貧血癥狀，使用含鐵飼料飼喂不能緩解這種癥狀?；蚍治霭l現在TMPRSS6基因的1個外顯子上游剪接處發生了堿基突變，通過轉基因的方法將197 bp長度的基因組DNA導入到小鼠的TMPRSS6基因后，貧血癥狀得到緩解，證實TMPRSS6基因突變是造成小鼠貧血的重要原因。Chambers等通過全基因組關聯分析研究了歐洲人和印度人的血紅蛋白水平，發現TMPRSS6基因絲氨酸蛋白區域的個非同義替換，并且該突變導致血紅蛋白濃度的降低，揭示了TMPRSS6基因對維持血紅蛋白水平具有重要作用。在最近的研究中人們發現TMPRSS6基因存在低氧結合位點(HRE)受低氧和低氧誘導因子(HIF-1α)的 上調。TMPRSS6基因的表達與血紅蛋白和紅細胞有一定的相關性，并且受到HIF-1的調控。因此，其也可能會參與高原動物的低氧適應過程，可作為高原動物低氧適應的候選基因進行研究。

3 展望

目前，對動物低氧適應的生理和分子機制研究已取得了初步成果。藏豬、藏雞、牦牛和藏獒等高原家養動物作為經濟動物，鳥類、揚子鱷和魚類也是典型的低氧模式動物，對低氧環境具有良好的適應性。因此，研究動物對低氧的適應機制，積極探索和發現低氧適應相關基因，揭示低氧適應的生物學奧秘，建立低氧損傷的預警和預防體系，能夠為我國西部建設以及人類或其他動物對低氧生存環境的征服做出重要貢獻，同時有利于稀有動物特色基因的保存和瀕危物種的保護。研究動物高海拔低氧適應的分子機制是生物學和醫學研究的熱點問題之一，對人類醫學和動物資源保護具有重要意義，同時尋找與低氧適應有關的基因及其基因產物對高原畜牧業發展及人類的醫療保健都具有重要的價值。我國高原遼闊，動物資源豐富，但是目前對高原土生動物的適應機制的研究僅限于器官水平的研究，今后應發揮豐富的資源優勢，對多種土生動物利用現代分子生物學的方法，在細胞及分子水平上開展大量研究，以期闡明其低氧適應的詳細機制。

［1］錢令嘉.低氧適應相關基因及其研究策略的思考［J］.中國基礎科學，2001(9):8-13.

［2］江炎庭，茍瀟，李明麗，等.高原民族和動物低氧適應血液生理特征及相關基因研究進展［J］.中國畜牧獸醫，2012，10(39):149-153.

［3］馬蘭，格日力.高原鼠兔低氧適應分子機制的研究進展［J］.生理科學進展，2007，38(2):143-146.

［4］LI Y，WU D，BOYKO A R，et al.Population variation revealed high altitude adaptation of Tibetan Mastiffs［J］.Mol Biol Evol，2014，31(5):1200-1205.

［5］CAMPBELL K，STORZ J F，SIGNORE A V，et al.Molecular basis of a novel adaptation to hypoxic-hypercapnia in a strictly fossorial mole［J］.BMC Evolutionary Biology，2010，10:214-228.

［6］AVIVI A，RESNICK M B，NEVO E，et al.Adaptive hypoxic tolerance in the subterranean mole rat Spalax ehrenbergi:The role of vascular endothelial growth factor［J］.FEBS Lett，1999，452:133-140.

［7］SHAMS I，AVIVI A，NEVO E.Hypoxic stress tolerance of the blind subterranean mole rat:Expression of erythropoietin and hypoxia-inducible factor 1 alpha［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2004，101:9698-9703.

［8］SHAMS I，NEVO E，AVIVI A.Erythropoietin receptor spliced forms differentially expressed in blind subterranean mole rats［J］.FASEB J，2005，19:1749-1751.

［9］AVIVI A，SHAMS I，JOEL A，et al.Increased blood vessel density provides the mole rat physiological tolerance to its hypoxic subterranean habitat［J］.FASEB J，2005，19:1314-1316.

［10］KIM E B，FANG X，FUSHAN A A，et al.Genome sequencing reveals insights into physiology and longevity of the naked mole rat［J］.Nature，2011，479:223-228.

［11］SCOTT G R.Elevated performance:the unique physiology of birds that fly at high altitudes［J］.The Journal of Experimental Biology，2011，214:2455-2462.

［12］WAN Q H，PAN S K，HU L，et al.Genome analysis and signature discovery for diving and sensory properties of the endangered Chinese alligator［J］.Cell Research，2013，23:1091-1105.

［13］MIRCETA S，SIGNORE A V，BURNS J M，et al.Surface Charge Evolution of Mammalian Diving Capacity Traced by Myoglobin Net［J］.Science，2013，340(6138):1-8.

［14］李文玲，李繼中，楊舒黎，等.在高原動物低氧適應中的研究進展［J］.安徽農業科學，2012，40(7):4036-4038.

［15］李月明.甘肅鼢鼠低氧適應研究［D］.西安:陜西師范大學，2007.

［16］陳雪梅，金雙，鐘金城，等.牦牛EPO基因PCR-SSCP多態性研究［J］.河南農業科學，2008(7):104-107.

［17］韓樹鑫，茍瀟，楊舒黎.動物低氧適應的生理與分子機制［J］.中國畜牧獸醫，2010，37(9):29-33.

［18］楊會強.藏豬β-珠蛋白基因與其低氧遺傳適應的關系［D］.北京:中國農業科學院，2012.