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鸟类学研究组发现鸟类适应青藏高原极端环境的分子进化机制
  发布日期:2018-02-06  |  来源:动物进化与系统学院重点实验室  |      

  脊椎动物对极端环境的适应性进化是进化生物学和生理生态学共同关注的焦点。为补偿高海拔环境的低氧分压影响,动物机体通过多种氧传输途径保障氧持续传送到线粒体以支持需氧ATP的合成。在严重低氧条件下为保持动脉氧饱和度,在心肺功能和微循环系统调节的同时,机体需要增加血红蛋白氧(Hb-O2)亲合力以巩固组织氧化水平。已往对安第斯山鸟类研究发现,Hb-O2亲合力的增加是由不同的氨基酸替代组合引起的。当不同物种经历了类似的环境选择压力,适应性策略的相似性进化概率会受到种群进化历史的决定性影响。

  该研究通过对不同高、低海拔山雀和长尾山雀类鸟种的血红蛋白功能表型和分子结构比较,发现青藏高原高海拔鸟类的血红蛋白氧亲合力相比其低海拔近缘种有所增加。这些血红蛋白氧亲合力趋同性增加主要取决于潜在功能机制的趋同进化,而不是由不同物种的相同氨基酸替代所引起的。以祖先蛋白重塑和定点诱变两种方法,证明了决定高海拔同域分布鸟类血红蛋白氧亲合力增加的平行氨基酸替代位点。其中地山雀(Parus humilis)和褐冠山雀(Lophophanes dichrous)的氧亲合力增加效应是由αA34位点的Ala替代为Thr决定的。该平行氨基酸替代是一个双核苷酸CpG位点的非同义替代结果,意味着突变偏倚在促进同一位点重复替代中的可能作用。通过同源蛋白结构模拟,证明了该位点的氨基酸替代增加了α和β 亚基间的氢键数量,从而使四聚体血红蛋白的氧化态构象相对于去氧化构象更加趋于稳定。另一个趋同增加氧亲和力的替代发生在黑眉长尾山雀和亲缘关系远缘的斑头雁的单独替代位点αAP119A, 该位点与αAA34T不同,降低了氧化态血红蛋白的稳定性。

  文章最后通过对青藏高原和安第斯山脉高海拔鸟类物种演化、血红蛋白氧亲和力以及决定该表型差异的分子结构进行比较,总结出了高海拔鸟类血红蛋白分子适应机制的规律性:鸟类大多数海拔相关的血红蛋白功能变化都是由不同的氨基酸替代所致,极少数源于相似表型效应的平行氨基酸替代,而不同物种的相似表型是由独立的遗传背景所决定的。

  本研究以“Divergent and parallel routes of biochemical adaptation in high-altitude passerine birds from the Qinghai-Tibet Plateau ”为题于2018年2月5日在线发表于国际重要杂志Proceeding of the National Academy of Science USA (PNAS)(论文链接)。本文第一作者朱筱佳博士,共同第一作者管玉艳硕士为动物研究所研究生,动物研究所雷富民研究员和美国内布拉斯加大学的Jay F. Storz教授为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导研究专项(XDB13020300)和自然科学基金重点项目(31630069)等项目的资助。

组成四聚体血红蛋白三个不同亚基的氨基酸组成变化

高海拔平行替代位点αAA34T增加HbA亲合力的结构机制

 


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