多特蒙德动物研究所等在哈尼族高原适应遗传机

趋同进化是进化生物学领域的研究热点,通常表现为,不同物种为了应对相似的生境而发展出相同的生存策略。因此,人们普遍认为,表型的趋同变化是适应性进化的结果。对趋同表型分子机制的阐释不仅能够提供一种将基因型和适应性表型相联系的新思路,而且能够探究基因在演化过程中在多大程度上是可预测和可重复的。

翼手目是夜行性动物,在不同的蝙蝠种类中存在着显著的感觉分化:食虫蝙蝠主要依赖回声定位来导航、捕食,其眼睛退化,而旧大陆果蝠没有回声定位能力,其眼睛很发达,主要依赖视觉和嗅觉来寻找食物。前期研究中,中国科学院副院长、中国科学院院士、中国科学院昆明动物研究所研究员张亚平课题组发现视觉通路中CRX,RHO和SAG这三个基因在旧大陆果蝠和墓蝠(食虫蝙蝠,视觉未退化)中发生了趋同进化,提示复杂性状的适应性进化需要一系列基因参与。

近日,中国科学院昆明动物研究所宿兵课题组与西藏大学、青海省高原医学科学研究院开展合作,在藏族高原适应遗传机制研究中取得进展。相关研究成果发表在《分子生物学与进化》(Molecular Biology and Evolution)上,昆明动物所副研究员彭忆,西藏大学教授崔超英,昆明动物所博士生和耀喜,西藏大学教授欧珠罗布,昆明动物所助理研究员张慧、杨德英等为文章第一作者,昆明动物所研究员宿兵、副研究员祁学斌和中国工程院院士、青海省高原医学科学研究院研究员吴天一为共同通讯作者。

中国科学院昆明动物研究所施鹏研究组一直以来将哺乳动物回声定位作为研究模型,利用分子进化理论和分析方法,探索驱动这种复杂趋同表型发生和发展的内在分子机制。鉴于回声定位与听觉能力的紧密相关性,之前的研究表明,多个听力基因在回声定位哺乳动物中受到了平行进化的选择作用,鉴定出了多个平行进化位点,初步表明了这些听力基因与哺乳动物回声定位的密切相关性(Li et al. Curr Biol 20 :R55-56, 2010; Liu et. al. PLoS One 6:e26618, 2011)。对平行进化基因prestin的功能实验进一步支持了:所鉴定出的平行位点能够完全解释该基因在回声定位哺乳动物中所表现出的功能趋同现象(Liu et al. Mol Biol Evol 31:2415-2424, 2014)。

为进一步系统地揭示翼手目暗视觉适应性机制,昆明动物所张亚平课题组与胡新天课题组、中科院武汉物理与数学研究所研究员徐富强课题组联合攻关,并在副研究员沈永义的带领下,博士研究生刘鹤群、魏景宽和李博首先利用锰离子增强磁共振成像技术扫描蝙蝠大脑结构,对比各种蝙蝠视觉和听觉系统的结构差异,发现旧大陆果蝠具有较大的上丘,其上下丘体积比约3:1,食虫蝙蝠具有较大的下丘(参与听觉信息的处理),其上下丘体积比约为1:7,揭示了翼手目动物暗视觉分化的脑结构基础;随后,利用闪光诱发电位技术对蝙蝠的视觉能力进行了量化,发现它们绝对光感知阈值为:旧大陆果蝠”墓蝠”中菊头蝠(小蝙蝠亚目,回声定位),反映这些不同蝙蝠物种的视觉能功能的差异。最后,利用转录组测序技术对5种蝙蝠的视网膜转录组进行测序,从序列变异(正选择、趋同/平行进化)和表达两方面进行了适应性信号检测,并发现墓蝠眼部基因的转录组水平表达模式和狐蝠科更为相近。这项研究从结构、功能和分子机制等多角度系统地阐述了翼手目暗视觉分化的机制,为复杂性状的适应性机制的研究提供了示范。

藏族人群对高原低氧极端环境表现出了较好的适应能力,这种适应能力是长期自然选择的结果(Qi et al. Mol Biol Evol 2013)。然而,藏族人群的遗传适应如何通过分子水平的精细调控实现心、肺等氧交换和氧运输器官在高原低氧下的正常生理功能仍是未解之谜。宿兵课题组与崔超英、吴天一通过多年的紧密合作,对高原藏族与平原汉族人群间的全基因组遗传差异分析,发现了一批与藏族人群对高原低氧适应相关的候选基因,特别是在低氧信号通路中发挥重要功能的低氧诱导因子-2α (HIF-2α,由EPAS1基因编码)及其负调控因子脯氨酸羟化酶-2(PHD2,由EGLN1基因编码)。这两个基因在藏族人群中富集了很多藏族特有的高频序列变异,显示出强烈的达尔文正选择信号(Peng et al. Mol Biol Evol 2011)。采用大样本的基因全长重测序与遗传相关性分析,宿兵课题组在前期工作中率先鉴定出了EGLN1基因的一个非同义突变位点,这个位点在藏族人群中通过调节血红蛋白浓度产生低氧适应(Xiang et al. Mol Biol Evol 2013)。但是EPAS1对高原低氧适应的遗传机制及其与EGLN1等基因间的相互作用机制仍然不清楚。

近日,昆明动物所研究人员进一步研究发现,具有不同回声定位发声特征的蝙蝠其prestin的功能也不尽相同,特别是在物种系统发育树中处于并系的调频蝙蝠。与其近缘的恒频蝙蝠相比,调频蝙蝠prestin的功能呈现出了相同的变化趋势。值得注意的是,该研究结果强力支持了:导致这种功能上的相同变化趋势的位点并不是受到趋同或平行进化的位点;起决定作用的是分别固定于调频蝙蝠祖先支系上的源自蝙蝠共同祖先的多态位点,并且该多态位点的固定很有可能是受到了自然选择的影响。该结果提示,并非所有的趋同表型都是由受到趋同或平行进化的基因及其趋同或平行位点所导致,一些受到自然选择而特异固定下来的祖先多态位点也有可能是其产生的分子机制;同时,提醒研究人员注意,在不同物种中,特别是在那些经历适应性辐射的物种中,进行基因的趋同或平行进化推断和分析时,一定要注意区分不同的形成机制。

该研究成果近期在Scientific Reports上在线发表。

宿兵课题组通过对EPAS1基因的全长精细测序发现藏族人群中受到强烈选择的变异位点都位于非编码区,提示这些藏族富集的变异很可能在转录水平参与调控。他们进一步对藏族人群中富集的32个EPAS1突变位点进行了大样本的遗传相关性分析、藏族胎盘组织的转录组分析、藏族新生儿脐带内皮细胞的低氧诱导实验、EPAS1基因敲除小鼠的低氧诱导实验等综合的遗传学分析和功能验证试验,发现藏族富集的EPAS1变异位点下调了EPAS1在脐带内皮细胞和胎盘中的表达水平;杂合EPAS1敲除小鼠表现出与高原藏族人群相似的对慢性低氧的生理钝化反应。除此之外,他们还发现EPAS1基因除了下调藏族人群在高原低氧环境中的血红蛋白水平外,可能还参与下调藏族人群的肺动脉压,进而实现对高原低氧环境的长期适应。这是宿兵团队在藏族人群对高原低氧环境适应机制研究中的又一阶段性成果,首次解析了高原适应关键基因EPAS1基因表达调控模式,向最终阐明人类对高原低氧极端环境适应的遗传机制迈出了重要的一步。

10月15日,该研究结果以Functional effects of a retained ancestral polymorphism in prestin 为题在线发表在《分子生物学与进化》(Molecular Biology and Evolution)杂志上。该工作受到了中科院战略性先导科技专项、高端科技人才和国家自然科学基金项目的支持。

文章链接

该项目得到了中科院先导B类项目、科技部“973”计划、国家自然科学基金微进化重大项目和西藏大学珠峰学者项目的支持。

文章链接

图片 1

文章链接

图片 2

图1 蝙蝠的视觉通路

图片 3

昆明动物所发现导致表型趋同进化的新机制

图片 4

EPAS1基因在藏族与平原人群间的等位基因差异及其LD关系与EPAS1基因敲除小鼠在长期低氧环境中的各项生理指标变化。

图2 大小蝙蝠上下丘体积比

图片 5

图3 不同蝙蝠的视觉阈值

本文由www.cabet566.com发布于亚洲城,转载请注明出处:多特蒙德动物研究所等在哈尼族高原适应遗传机

TAG标签: www.cabet566
Ctrl+D 将本页面保存为书签,全面了解最新资讯,方便快捷。