于黎:在极端环境下基因组会发生什么变化

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2016年8月3日 来源:生物通

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  来自云南大学、中科院昆明动物研究所、中科院北京基因研究所等10多家研究机构的研究人员成功破解了金丝猴适应高原的秘密,并揭示了其适应高海拔环境的遗传机制。

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生物通报道:青藏高原平均海拔超过4000米。大多数人在那里会遇到问题,因为随着海拔升高,除气压外,氧分压也会随之降低,带来的后果就是呼吸困难和高原病。因此动物如何应对高海拔地区缺氧环境的快速适应机制也就成为了科学家们关注的热点问题。

近期来自云南大学、中科院昆明动物研究所、中科院北京基因研究所等10多家研究机构的研究人员成功破解了金丝猴适应高原的秘密,并揭示了其适应高海拔环境的遗传机制。


(Nature Genetics最新封面)


这一研究成果以Nature Genetics封面文章(见上图)发表(Yuet al. 2016. Genomic analysis of snub-nosed monkeys (Rhinopithecus) identifies genes and processes related to high-altitude adaptation. Nature Genetics. 2016. 48, 947-952).

研究人员基于多层次研究,包括种上和群体的基因组序列分析,转录组和功能实验,发现与金丝猴物种适应高海拔环境相关的遗传机制。文章的第一作者是云南大学云南生物资源保护与利用国家重点实验室于黎研究员。于黎研究员,张亚平院士和吴仲义教授为论文共同通讯作者。为了了解这项最新的研究成果,生物通联系了于黎研究员,就读者感兴趣的问题请教了她。

极端环境对生物的影响
经过长达30亿年的进化,生命的触角已经延伸到地球的每一个角落,从大洋深处、洋底到平流层上端,所有最后的隐蔽处和裂缝处都有生命活动迹象。从炽热和冰冷到纯酸性和原子弹辐射,似乎没有什么极端环境是生物无法承受的。

了解极端环境下生物对环境的适应性进化遗传机制,为系统和整体的揭示自然选择的遗传机制提供了新的途径,正如于黎研究员所说,“(这项研究)是一个很好的揭示生物在极端环境下基因组变异及适应极端环境的分子机制的切入点。连同其它高原适应性进化的研究有助于寻找到生物适应高原极端环境的普遍规律。选取非人类灵长目动物作为高原动物适应极端环境分子机制研究的研究系统,对生物适应高原极端环境分子机制有新的认识。”

多层次,多角度分析金丝猴适应高原的秘密
据介绍,金丝猴属包括5个物种:滇金丝猴、怒江金丝猴、川金丝猴、黔金丝猴和越南金丝猴。所有物种均被列为红色物种名录濒危物种。除了保护生物学上的价值外,金丝猴属物种还占据了从低海拔到高海拔的生活环境类型,尤其是滇金丝猴,生活在海拔高度4000米左右的高原,是除人类外世界海拔分布最高的灵长类动物。

这项研究利用二代Ilumina HiSeq2000测序平台,对一只滇金丝猴进行denovo测序,并与其他哺乳动物的比较基因组分析,研究人员发现滇金丝猴中显著扩张基因家族中的基因显著富集在DNA修复和氧化磷酸化过程。此外,对滇金丝猴和猕猴多个组织进行RNA测序和比较转录组分析表明,能量代谢相关组织(心脏和肌肉)中高表达基因富集在与氧化磷酸化和心脏肌肉收缩相关通路。

“滇金丝猴中显著扩张基因家族中的基因显著富集在DNA修复和氧化磷酸化过程。这些基因可能与适应高海拔环境相关,”于黎研究员说。

接下来,于黎等人又对同属的黔金丝猴,怒江金丝猴和越南金丝猴各一个个体进行全基因组重测序,并结合已经发表的川金丝猴denovo基因组,通过比较基因组学分析,在三个高海拔金丝猴物种中(滇金丝猴,怒江金丝猴和川金丝猴)发现6个基因中的8个共有氨基酸替换。这些基因与肺功能,DNA修复和血管生成相关。
研究人员对与DNA修复相关的CDT1的紫外辐照实验表明突变型相对于野生型具有更强的稳定性。推测突变有助于金丝猴在高海拔环境中对紫外线的抵抗。对与血管生成相关的RNASE4基因检测发现突变型在诱导HUVEC细胞生成管状结构方面具有更高活性。推测突变可能增强RNASE4的血管生成能力,有助于金丝猴适应高海拔环境。

于黎研究员补充道,“除了种上水平的基因组分析以外,还对滇金丝猴和川金丝猴两个高海拔金丝猴物种的群体基因组进行分析,研究结果发现了群体之间的重叠(BRCC3和RYR2)受选择基因和各群体特异(NOX1, ATR, HDAC9, ARNT, ACE, SETD2, PDK3,CASQ2和ACSS3)的受选择基因,这些基因与DNA修复,心脏和血管发育,缺氧反应,能量代谢和血管生成相关。”

“这项研究采用了基因组从头测序,基因组重测序,转录组测序,细胞水平的功能验证,”通过这样多层次多角度的基因组序列分析和功能分析,这一研究组破解了金丝猴适应高原的秘密,并揭示了其适应高海拔环境的遗传机制,为金丝猴高海拔适应提出了一些有价值的见解。


作者简介
于黎
现任云南大学云南生物资源保护与利用国家重点实验室博士生导师、研究员,云南大学特聘教授。是教育部新世纪优秀人才,云南省中青年学术带头人,云南省高校重点实验室主任、云南省高校科技创新团队和云南省创新团队带头人。任中国科学技术协会第九届全国委员会委员,中国动物学会兽类分会理事,中国遗传学会动物遗传专业委员会委员,云南省遗传学会常务理事和云南省细胞生物学学会常务理事和副理事长,《遗传》,《兽类学报》和《Zoological Research》杂志编委。于黎研究员长期从事珍稀濒危动物类群的起源与演变机制的分子基础研究。入选“国家万人计划”。获“中国青年五四奖章”和“中国青年女科学家奖”以及“霍英东教育基金青年教师奖”等奖项。

原文摘要:
Genomic analysis of snub-nosed monkeys (Rhinopithecus) identifies genes and processes related to high-altitude adaptation
The snub-nosed monkey genus Rhinopithecus includes five closely related species distributed across altitudinal gradients from 800 to 4,500 m. Rhinopithecusbieti, Rhinopithecusroxellana, and Rhinopithecusstrykeri inhabit high-altitude habitats, whereas Rhinopithecusbrelichi and Rhinopithecusavunculus inhabit lowland regions. We report the de novo whole-genome sequence of R. bieti and genomic sequences for the four other species. Eight shared substitutions were found in six genes related to lung function, DNA repair, and angiogenesis in the high-altitude snub-nosed monkeys. Functional assays showed that the high-altitude variant of CDT1 (Ala537Val) renders cells more resistant to UV irradiation, and the high-altitude variants of RNASE4 (Asn89Lys and Thr128Ile) confer enhanced ability to induce endothelial tube formation in vitro. Genomic scans in the R. bieti and R. roxellana populations identified signatures of selection between and within populations at genes involved in functions relevant to high-altitude adaptation. These results provide valuable insights into the adaptation to high altitude in the snub-nosed monkeys.


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