研究發現鳥類適應青藏高原極端環境的分子進化機制

脊椎動物對極端環境的適應性進化是進化生物學和生理生態學共同關注的焦點。為補償高海拔環境的低氧分壓影響，動物機體通過多種氧傳輸途徑保障氧持續傳送到線粒體以支持需氧ATP的合成。在嚴重低氧條件下為保持動脈氧飽和度，在心肺功能和微循環系統調節的同時，機體需要增加血紅蛋白氧（Hb-O2）親合力以鞏固組織氧化水平。已往對安第斯山鳥類研究發現，Hb-O2親合力的增加是由不同的氨基酸替代組合引起的。當不同物種經歷了類似的環境選擇壓力，適應性策略的相似性進化概率會受到種群進化歷史的決定性影響。

中國科學院動物研究所通過對不同高、低海拔山雀和長尾山雀類鳥種的血紅蛋白功能表型和分子結構比較，發現青藏高原高海拔鳥類的血紅蛋白氧親合力相比其低海拔近緣種有所增加。這些血紅蛋白氧親合力趨同性增加主要取決於潛在功能機制的趨同進化，而不是由不同物種的相同氨基酸替代所引起的。以祖先蛋白重塑和定點誘變兩種方法，證明了決定高海拔同域分布鳥類血紅蛋白氧親合力增加的平行氨基酸替代位點。其中地山雀（Parus humilis）和褐冠山雀（Lophophanes dichrous）的氧親合力增加效應是由αA34位點的Ala替代為Thr決定的。該平行氨基酸替代是一個雙核苷酸CpG位點的非同義替代結果，意味著突變偏倚在促進同一位點重複替代中的可能作用。通過同源蛋白結構模擬，證明了該位點的氨基酸替代增加了α和β亞基間的氫鍵數量，從而使四聚體血紅蛋白的氧化態構象相對於去氧化構象更加趨於穩定。另一個趨同增加氧親和力的替代發生在黑眉長尾山雀和親緣關係遠緣的斑頭雁的單獨替代位點αAP119A，該位點與αAA34T不同，降低了氧化態血紅蛋白的穩定性。

該研究通過對青藏高原和安第斯山脈高海拔鳥類物種演化、血紅蛋白氧親和力以及決定該表型差異的分子結構進行比較，總結出高海拔鳥類血紅蛋白分子適應機制的規律性：鳥類大多數海拔相關的血紅蛋白功能變化都是由不同的氨基酸替代所致，極少數源於相似表型效應的平行氨基酸替代，而不同物種的相似表型是由獨立的遺傳背景所決定的。

2月5日，相關研究成果以Divergent and parallel routes of biochemical adaptation in high-altitude passerine birds from the Qinghai-Tibet Plateau為題，在線發表在PNAS上。研究工作得到了中科院戰略性先導研究專項和國家自然科學基金重點項目等的資助。(生物谷Bioon.com）

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