动物低氧适应的相关研究进展

张绍军，李济中，孔小艳，严达伟*(.云南农业大学动物科学技术学院，云南昆明6500;.云南省迪庆州动物疾病防治中心，云南迪庆674400)

低氧适应是机体在高原低氧、特殊低氧工作环境以及多种疾病所致机体氧获得和氧运送障碍所致缺氧状态下为维持基本生命活动所建立的一种保护性机制，其在生理学上表现为以心血管功能增强，血液系统携氧能力提高和组织氧利用效能强化等为主要特征的多系统多层次的协调效应［1］。红细胞和血红蛋白在生物体内负责运输氧气，满足机体对氧气的需要，而红细胞在数量增多的情况下红细胞体积的减小会降低血液的黏滞性，进而不影响血液的流动速度，保证机体氧气的运输。因此，低氧适应的血液生理表现为血红蛋白的浓度、血红蛋白的亲氧能力、红细胞数量及体积的变化［2］。

低氧适应相关基因则指一类能够接受低氧信号调节并参与缺氧适应性反应的基因群，是低氧适应机制极为重要的分子基础。对低氧适应相关基因及其表达调控机制的研究将为探寻有效防治低氧损伤和促进低氧适应的医学措施提供重要的科学依据。笔者对不同环境动物对低氧适应的生理特征和相关基因的研究进展进行了综述。

1 动物对低氧适应的生理特征研究进展

1.1 高原动物对低氧的适应 红细胞数和血红蛋白数量增加是许多生活在高原动物的血液学特征。学者在对高原鼠兔肺血管收缩反应的研究中发现，高原鼠兔低氧性肺血管收缩反应(HPV)钝化，肺动脉压不高，无右心室肥大，红细胞数(RBC)、红细胞压积(Hct)和血红蛋白(Hb)不因海拔高度的增加而出现明显改变，其生理特征与在相同环境下的移居大鼠及人类明显不同，而与其他土生动物(如牦牛、南美洲高原驼羊等)相似。高原鼠兔对低氧环境的适应表现在氧解离曲线左移、P50值变小、红细胞氧解离能力增强，最重要的是能增加组织对氧的利用。鼠兔的氧离曲线与大鼠相比不仅左移，而且中段坡度明显陡峭而延长。这表明肺在这个水平肺具有较强的氧亲和力，可使机体保持较高的PaO2和SaO2，不会因缺氧而引起红细胞过度增生;在组织水平上，肺具有较强的氧释放能力，使组织能够获得足够的氧，满足机体的需要［3］。鼠兔具有这种特殊的氧解离曲线，这是它适应低氧环境的重要机制之一。藏獒作为青藏高原土著犬种，通过全基因组SNP芯片扫描挖掘到藏獒基因组中12个低氧正选择基因，包括EPAS1、SIRT7、PLXNA4和MAFG等。藏猪是青藏高原特有猪种，通过全基因组测序意外发现藏猪与家猪的分化相当于牦牛和家牛、人与黑猩猩之间的分化。通过基因家族的收缩和扩张分析发现，藏猪与家猪相比具有更多的铁蛋白(Ferritin)基因，数量和种类都远远超过了人、牛、小鼠和狗，这充分揭示了藏猪适应高海拔的分子机制［4］。

1.2 穴居动物对低氧的适应 鼹形鼠是旧大陆几种与众不同类型的穴居啮齿动物的统称。其中，有些属于鼢鼠科(Spalacidae，即鼹形鼠科)，有些属于滨鼠科(Bathyergidae)，鼢鼠科的鼹形鼠有1属(鼹形鼠属〔Spalax〕)3种，分布于欧洲东部和东南部以及小亚细亚。鼹形鼠腿短、无尾，形态似鼹，体长15～30 cm;无外耳，眼小，完全为皮肤覆盖;毛柔软，呈浅黄灰色;吻宽阔，两侧各有1列硬毛，可能助于探路、独居，以植物的地下部分为食，挖的地道范围广阔，有分隔的厕所、卧室和储藏室。它们用强有力的门齿挖洞，用吻部将地道壁捣实。当鼹形鼠数量众多时，会由于大量破坏庄稼而成为害兽。

鼹形鼠属(Subterranean mole rat，Spalax)是一类耐低氧的模式动物，它们在一生的时间内都是在地下生活的，暴露于低氧高二氧化碳环境中(14.3%O2和 5.5%CO2)［5］。研究发现，欧洲鼹鼠(European mole，Talpa europaea)血红蛋白具有高的氧亲和力。欧洲鼹鼠组织的毛细血管密度高，从而使氧弥散距离变短，其血管内皮生长因子(VEGF)的表达量也比实验室大鼠高［6］。低氧诱导因子(HIF)、血管内皮生长因子(VEGF)、促红细胞生成素(EPO)和组织珠蛋白(Neuroglobin，Cytoglobin，Myoglobin)低氧适应性表达是鼹鼠低氧适应的重要机制［7-9］。全基因组测序结果表明鼹形鼠属存在HIF1α和VHL低氧适应功能位点［10］。

1.3 鸟类对高空低氧的适应 鸟类要在高海拔的空中剧烈运动，那就要求它们必须要有适应氧气稀薄的高空环境。鸟类与其他脊椎动物的区别在于独特的氧气运输途径。这些特征包括加强气体在肺部的交换率，当大脑缺氧时保持氧气的运输和肺氧合，增强氧气向外周组织的扩散和提高氧气的利用率［11］。这些特点不是高空适应必需的，因为他们也是低地鸟类的特征，但仍然是耐缺氧和剧烈运动所需的重要特征。然而，鸟类出现了一些独有的特征，以适应高海拔或高空的氧气输送通路。高空飞行的特点包括增强低氧通气反应、有效的呼吸模式、较大的肺、具有高氧亲和力的血红蛋白、更强的氧气扩散能力和更强的多变的心脏骨骼、肌代谢能力。这些独特的性质可以提高鸟类在高空低氧飞行时氧气的吸收、循环和有效利用。与它们的陆地亲属相比，高海拔生活的鸟类具有更大的翅膀，可以减少在低氧气密度的高空中停留时的氧气消耗。高空飞行的动物有许多的独特性，但其在高空飞行的适应性和可塑性(驯化)目前尚不清楚。

1.4 潜水类动物对低氧的适应 鳄鱼(Crocodilian)是迄今为止人类发现活着的最早和最原始的动物之一，它是在三叠纪至白垩纪的中生代(约2亿年前)由两栖类进化而来，延续至今仍是半水生且性情凶猛的爬行动物。能够长时间潜入水中是鳄鱼令人惊叹的特性之一。扬子鳄(Chinese alligator)是我国特有的一种鳄鱼，是世界上体型最细小的鳄鱼品种之一。它既是古老的爬行动物，又是现在生存数量非常稀少、世界上濒临灭绝的爬行动物。在扬子鳄身上，至今还可以找到早先恐龙类爬行动物的许多特征，因此人们称扬子鳄为“活化石”。扬子鳄对人们研究古代爬行动物的兴衰和研究古地质学和生物的进化都有重要意义。经过上亿年的生活，鳄鱼进化出一套适应潜水的生理特征，包括在咽喉处生成1个小阀，以防止在潜水时水进入大咽喉、食道和气管;增加肺壁的厚度，以抵抗水下的压力;增加肺容量。在有氧潜水期间，氧气比较缺少时鳄鱼的心脏停止向肌肉供应血液，以确保大脑的能量供应［12］。心脏这种功能的切换受动脉血样张力的控制。研究人员报道了濒危扬子鳄的基因组序列，并描述了其独特特征。利用新一代测序生成了314 Gb的原始序列，获得了大小为2.3 Gb的基因组。利用从头(Denovo)同源性RNA组合模型，研究人员预测出扬子鳄基因组中共有2.22万个基因。这揭示出扬子鳄长时间潜水行为的遗传基础，包括碳酸氢盐结合血红蛋白基因复制、普通磷酸盐结合氧运输与特殊的碳酸氢盐结合氧运输共同发挥作用以及正选择能量代谢、碳酸氢铵排泄和心肌收缩等。

利物浦大学综合生物学研究所的科学家们对哺乳动物肌肉中的储氧蛋白质-肌红蛋白进行了研究，研究表明海洋哺乳动物如何储存足够的氧气，在长达1 h的潜水过程中屏住呼吸，发现在鲸鱼和海豹中这种蛋白质拥有特殊的“不粘”特性［13］。这就使它们能够将大量的氧气储存到肌肉中而不会产生阻塞。研究表明，当达到足够的浓度时蛋白质就会趋向于粘连在一起。科学家从各种哺乳动物的肌肉中提取出纯肌红蛋白，包括陆地上的奶牛、半水栖的水獭以及海洋中的巨头鲸等。研究表明，屏息潜水的哺乳动物已经进化出一种非粘性的肌红蛋白。海洋哺乳动物的肌红蛋白是带正电荷的。肌红蛋白就像磁铁的磁极一样彼此排斥。这使海洋哺乳动物能将高浓度的肌红蛋白存储在肌肉中，并且避免它们粘在一起。这一发现让科学家们清楚哺乳动物在进化过程中所发生的惊人变化。同时，研究人员通过鲸鱼祖先的化石来预测它们的潜水时间。准确了解哺乳动物的身体如何高效地储存氧气，也将有助于医学研究。复制这个过程能够帮助输送氧气设备的开发，这种设备能够在输血无效时为病人的组织传输应急氧气供应，但这项研究最大的影响是在进化生物学领域。

2 动物低氧适应的相关基因研究进展

2.1 促红细胞生成素基因 促红细胞生成素(EPO)基因是最先发现的低氧适应基因。在机体供氧不足时，EPO基因的mRNA表达水平明显增加，红细胞数明显增多。在对EPO基因的研究过程中发现低氧诱导因子-1(HIF-1)和以HIF-1为介导的基因表达调控。HIF-1由α和β亚基组成，其中α亚基对氧敏感。在低氧条件下，α和β亚基形成1个异源二聚体，结合到基因启动子和增强子区域的低氧应答元件(HREs)上，对低氧做出应答反应。在常氧条件下，HIF-α通过脯氨酰羟基化作用与肿瘤抑制蛋白(VHL)结合，使得HIF-α迅速降解;在低氧条件下，脯酰胺羟基化作用受到抑制，HIF-α结合到低氧应答元件(HRE)，诱导EPO基因表达［14］。李月明对甘肃鼢鼠进行了低氧适应研究，结果表明在低氧条件下甘肃鼢鼠EPO的表达水平高于大鼠［15］。陈雪梅等采用PCR-SSCP方法对牦牛的EPO基因的多态性进行了检测，结果发现了AA、AB和BB 3种基因型，其中AB为优势基因型，而A为优势等位基因。同时，随着海拔的升高，A等位基因的频率逐渐升高，认为这种变化与牦牛的低氧适应性有关［16］。在对藏猪的研究中，EPO基因的mRNA表达量高于低地猪，EPO基因的低氧特异性高表达是藏猪低氧适应的分子基础之一［17］。

2.2 血红蛋白基因 血红蛋白是由2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体，β-珠蛋白基因编码血红蛋白的β亚基。由于血红蛋白在氧气中运输起重要作用，结构变异会直接导致其氧亲和力变化，进而影响动物对低氧的适应。1988年，Weber等研究发现β链135位的丙氨酸突变为缬氨酸，从而使得西藏牦牛血红蛋白的亲氧能力高于黄牛。然而，在对引入低海拔地区的牦牛β-珠蛋白基因研究发现，同样在β-珠蛋白基因所编码的135位氨基酸发生了变异，由疏水性的丙氨酸或缬氨酸变为亲水性的天冬氨酸，该变异可能导致牦牛血红蛋白的氧亲和力降低。杨会强在对藏猪该基因的研究中，通过与平原猪的比较发现在β1链的58、75、119和137位均有氨基酸突变。其中，137位的氨基酸突变由丙氨酸变为缬氨酸，该位点的突变有利于提高藏猪血红蛋白的亲氧力，并且藏猪β-珠蛋白基因的表达水平显著高于平原猪。在对鹿鼠的血红蛋白进化和功能机制的研究中发现，β-珠蛋白的2个位点单倍型会抑制其对二磷酸甘油酸(DPG)的敏感，进而增强血红蛋白对氧的亲和力。高原哺乳动物具有高氧亲和力的血红蛋白是其适应低氧环境的特征之一［18］。白头秃鹫和欧洲黑秃鹫HbD链与β链氨基酸序列完全相同，因而出现动物中不多见的4个亚基相同的Hb，此种HbD比HbA具有更高的氧亲和力。斑头雁是青藏高原一种最典型的耐低氧鸟类，突变Pro-119α造成了斑头雁血红蛋白高的血氧亲和力，安第斯雁生活在南美海拔5 000～6 000 m的高原，其血红蛋白突变机制与斑头雁一致。血红蛋白氧亲和力的提高也是高原鸟类低氧适应的重要分子机制。

除了已经被发现的基因还有很多候选基因的作用未被发现，例如藏猪和藏獒的 α、β、δ、μ、ζ，ε 等基因。研究表明，ε基因是胚胎型次要血红蛋白，可能是藏猪在胚胎期低氧适应的调控基因。但是，在胚胎期发挥的作用及其机制还需要进一步研究。

2.3 低氧诱导因子-2α HIF最早是由Semenza等在低氧诱导的细胞核提取物中发现的，是由α和β亚基组成的异二聚体，α和β亚基均包含bHLH结构域、PAS结构域、羧基末端的反式活化结构域及入核信号。序列同源性α亚基目前认为有3种:HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，三者均受氧浓度的调节，是调节HIF活性的功能亚单位，而β亚基不受氧浓度调节和影响，其功能可能与保持HIF结构稳定性及二聚化引起的活性构象转变有关［14］。Favier等通过原位杂交技术发现，HIF-2α基因的mRNA在人类胚胎的血管壁、心内膜、肾小球和肝窦有较高表达。在正常氧压条件下，HIF-2α在血管丰富的心、肺等组织中含量较高，而在白细胞中少有表达。低氧条件能够明显提高细胞内HIF-2α蛋白的含量，其机制可能是在HIF-2α蛋白内存在一种依赖氧压的降解域，在常氧条件下HIF-2α蛋白质能够迅速降解，而低氧能够提高HIF-2α蛋白质的稳定性，使其含量升高。研究还发现，HIF-2αmRNA在不同组织内的含量变化与血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)mRNA 含量的变化一致，表明HIF-2α可能通过调节VEGF基因的表达来影响内皮细胞的分布和功能。

低氧诱导因子-2α(Hypoxia-inducible factor-2α，HIF-2α)是高原民族人群以及高原动物经全基因组扫描获得的低氧正选择基因，HIF-2α基因是通路中的重要基因，在人类对低氧环境的调节通路中起到核心作用［14］。

2.4 红细胞大小相关基因 跨膜丝氨酸蛋白酶6(Transmembrance protease serine 6，TMPRSS6)基因，也叫蛋白裂解酶-2(Matriptase-2)基因。研究发现，该基因在机体的铁代谢调节中具有重要作用［2］。HU等利用化学诱变法获得的突变小鼠有严重的缺铁和贫血症状，使用含铁饲料饲喂不能缓解这种症状。基因分析发现在TMPRSS6基因的1个外显子上游剪接处发生了碱基突变，通过转基因的方法将197 bp长度的基因组DNA导入到小鼠的TMPRSS6基因后，贫血症状得到缓解，证实TMPRSS6基因突变是造成小鼠贫血的重要原因。Chambers等通过全基因组关联分析研究了欧洲人和印度人的血红蛋白水平，发现TMPRSS6基因丝氨酸蛋白区域的个非同义替换，并且该突变导致血红蛋白浓度的降低，揭示了TMPRSS6基因对维持血红蛋白水平具有重要作用。在最近的研究中人们发现TMPRSS6基因存在低氧结合位点(HRE)受低氧和低氧诱导因子(HIF-1α)的 上调。TMPRSS6基因的表达与血红蛋白和红细胞有一定的相关性，并且受到HIF-1的调控。因此，其也可能会参与高原动物的低氧适应过程，可作为高原动物低氧适应的候选基因进行研究。

3 展望

目前，对动物低氧适应的生理和分子机制研究已取得了初步成果。藏猪、藏鸡、牦牛和藏獒等高原家养动物作为经济动物，鸟类、扬子鳄和鱼类也是典型的低氧模式动物，对低氧环境具有良好的适应性。因此，研究动物对低氧的适应机制，积极探索和发现低氧适应相关基因，揭示低氧适应的生物学奥秘，建立低氧损伤的预警和预防体系，能够为我国西部建设以及人类或其他动物对低氧生存环境的征服做出重要贡献，同时有利于稀有动物特色基因的保存和濒危物种的保护。研究动物高海拔低氧适应的分子机制是生物学和医学研究的热点问题之一，对人类医学和动物资源保护具有重要意义，同时寻找与低氧适应有关的基因及其基因产物对高原畜牧业发展及人类的医疗保健都具有重要的价值。我国高原辽阔，动物资源丰富，但是目前对高原土生动物的适应机制的研究仅限于器官水平的研究，今后应发挥丰富的资源优势，对多种土生动物利用现代分子生物学的方法，在细胞及分子水平上开展大量研究，以期阐明其低氧适应的详细机制。

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