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成昆科学家破解海拔最高蛇类基因组 为何不怕缺氧还不怕晒

2018-08-02 09:48作者/编辑: 四川殡葬网 来源:成都商报阅读次数:58

   PNAS创刊已达百年,是美国国家科学院院刊,与《细胞》、《自然》、《科学》一起被公认为学术期刊中的世界四大名刊

  “温泉蛇”属隶属于游蛇科,是世界上分布海拔最高的蛇类之一,主要栖息在温泉附近的石堆、水边和沼泽草甸中

  李家堂等团队的研究成果,将为人类高原病的预防和治疗提供一定的参考价值

  记者昨日从中国科学院成都生物研究所获悉,北京时间2018年8月1日凌晨,国际学术期刊PNAS(《美国科学院院刊》)在线发表了中科院成都生物研究所李家堂和中科院昆明动物研究所张亚平等研究团队关于温泉蛇研究的最新成果“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”。

  据了解,PNAS是创刊已达百年的美国国家科学院院刊,和《细胞》《自然》《科学》一起被公认为学术期刊中的世界四大名刊。PNAS作为美国国家科学院的官方科学周刊杂志,历来选择美国国家科学院院士负责文章审稿事宜,是世界上最负盛名的基础科学领域的学术杂志之一。

  李家堂等团队的研究,以分布于青藏高原的温泉蛇为研究对象,解析了蛇类这种变温动物适应高海拔极端环境的遗传机制。这是世界上分布海拔最高的蛇类基因组全球首次被揭示。而这项发现,将为人类高原病的预防和治疗提供一定的参考价值。

  为何研究“温泉蛇”?

  探究变温动物在极端环境的遗传机制

  据研究团队介绍,大多数生物通常都对其生存环境有一定要求,超出适宜的范围就难以存活。但有一些生物却可以在强辐射、缺氧等极端环境中繁衍生息,这类生物被称为极端环境生物。由于其独特的生活环境,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。

  因此,这项研究以分布于青藏高原的温泉蛇为研究对象,解析了蛇类这种变温动物适应高海拔极端环境的遗传机制。

  温泉蛇是一种生活在海拔3500米以上的蛇类,由于主要栖息在温泉附近的石堆、水边和沼泽草甸中,因此而得名温泉蛇。和其他蛇类不同,温泉蛇是生活在青藏高原高海拔地区,是世界上海拔分布最高的蛇类。青藏高原因其地理的特殊性,使栖息于此的生物成为全球在生物高原适应性领域的重要研究模型。

  在以往,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。缺乏对变温动物适应高原环境遗传机制的研究,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。

  何为“温泉蛇”?

  世界上分布海拔最高的蛇类之一

  据介绍,温泉蛇属隶属于游蛇科,该属目前包括三个物种:温泉蛇、四川温泉蛇和香格里拉温泉蛇,它们为中国特有的珍稀保护物种,是世界上分布海拔最高的蛇类之一。它们均生活于青藏高原海拔范围为3500~4400米的地区,主要栖息在温泉附近的石堆、水边和沼泽草甸中。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。

  目前,全世界已知蛇类约有3600种,主要分布在热带、亚热带和温带地区,少数在寒带地区。

  从垂直分布来看,沿海、沿湖低地到海拔1000米上下的种类最多,有一部分种类分布在海拔2000~3000米的地方。早在1907年,温泉蛇作为唯一一种生活在青藏高原海拔4000米以上的蛇被英国人Frank Wall首次发现时,就已经“颠覆”了人们对当时现有蛇类的认知。

  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。但青藏高原自身孕育了很多高原特有物种。因此,青藏高原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。

  研究人员推测:基因突变是重要原因

  为何它不怕缺氧还不怕晒?

  ▶突变的基因

  有助“温泉蛇”在高海拔环境中抵抗紫外线

  据介绍,该研究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,融合已发表的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个不同蛋白中的27个共有氨基酸替换。

  这些突变多与免疫、低氧适应应答和DNA修复等功能相关。分子功能实验验证表明,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)在紫外线照射下具有更强的稳定性,推测突变有助于温泉蛇属物种在高海拔环境中对紫外线的抵抗。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。

  ▶未来的应用

  为高原病预防和治疗提供参考价值

  这项成果未来将应用于何处?

  据介绍,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。

  此次发表的论文,中科院成都生物研究所李家堂研究员、昆明动物研究所高跃东博士和四川大学华西第二医院谢亮博士为论文共同第一作者,李家堂研究员、王文智副研究员、David Hillis院士和张亚平院士为通讯作者。

  目前,该研究得到了中国科学院、国家自然科学基金和中科院青促会等机构的经费资助。

  ▶艰辛的过程

  前后去了数十个县 采集了上百条温泉蛇

  李家堂告诉记者,这一研究从2013年启动至今的5年里,团队每年都要在蛇的非冬眠期前往海拔4000米左右甚至更高海拔的高原地区,一方面进行采样,另一方面还要调研和记录温泉蛇生存环境的温度、湿度等一系列环境指标和数据。

  “温泉蛇很温和,并不会对科研人员的安全存在威胁”,他称,但最艰难的是长时间克服高海拔缺氧的恶劣条件。这期间,团队前前后后去到了高原地区的数十个县,采集到上百条温泉蛇。

  他告诉记者,目前取得的成功,只是阶段性的胜利,这一研究尚未结束。接下来,团队还将前往高原更多点位,采集更多样本,将进一步研究在高原不同地域环境中的温泉蛇的具体差异,“我们的一支队伍很快就又要出发了”。

  成都商报记者 王垚 实习记者 唐思思