院士研究组接连两篇文章解析新机制

　　

生物通报道：来自中国科学院昆明动物研究所张亚平研究组的研究人员近期在基因研究方面获得了多项成果，从能量代谢角度揭示蝙蝠飞行起源的机制，以及发现GSTP1基因105位点更有可能遵循隐性遗传模式。这两项成果公布在《PNAS》和《American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine》杂志上。

第一篇文章中，研究人员发现线粒体产能系统的进化应该与蝙蝠飞行能力的起源密切相关，并从能量代谢角度揭示蝙蝠飞行起源的机制。

蝙蝠是翼手目动物的通称，是唯一演化出具有真正飞行能力的哺乳动物。跟鸟类进化出飞行能力一样，蝙蝠飞行能力的进化需要一系列十分复杂的形态和生理变化，因此达尔文在《物种起源》中感叹“从不能飞的原始哺乳动物进化为能飞的蝙蝠是不可思议的”。

研究人员注意到飞行消耗的能量是奔跑3-15倍。因此，飞行除了需要骨骼等形态变化外，还需要能量供应系统的高效率化，以便能适应能量需求的急剧增加。通俗的比喻就是飞机能飞，不单单需要机翼等形态结构，还需要有强大的发动机来提供动力。线粒体是细胞的能量工厂，通过氧化呼吸链提供了生物体95%的能量，是动物各种运动所需能量动力的“发动机”。因此他们推测线粒体产能系统的进化应该与蝙蝠飞行能力的起源密切相关。通过全基因组比较分析，他们证实在蝙蝠飞行能力的起源过程中，线粒体的氧化呼吸链基因受到正选择，线粒体与细胞核编码的基因发生协同进化，以适应飞行起源过程中对能量需求的急剧增加。

这一研究团队2009年通过对飞行能力健全与退化的鸟类的比较研究，在Genome Research发表的姐妹篇工作揭示，线粒体基因组的选择压力与动物运动能力密切相关。

另外一篇文章中，研究人员发现作为COPD的潜在病理之一的谷胱甘肽S转移酶P1（GSTP1）基因105位点更有可能遵循隐性遗传模式。该研究为解析COPD的遗传机理研究提供了新视角。

COPD是一种以气流不可逆受限为特征的呼吸道疾病，多发于老年人中，目前在全世界死亡原因中排第四位，对人类健康造成了极大危害。GSTP1为可溶性同功酶超基因家族成员之一，是代谢多种内源性或外源性化学物质，尤其是毒性物质的重要解毒酶。

GSTP1基因第5外显子内的基因多态rs1659，可导致所编码的异亮氨酸（Ile）替换为缬氨酸（Val），并改变酶分子的空间构象，进而影响到酶与亲电子底物结合的特异性、稳定性及催化活性，由此导致氧化—抗氧化失衡，是COPD的潜在病理之一。然而目前有关GSTP1基因105位点与COPD的关系仍有争议。

为进一步探讨此问题，张亚平、钟丽和傅炜萍等收集了来自中国西南地区的汉族样本327个COPD病例和349个对照，并对其I105V位点进行了扫描。结果表明，在东亚群体中，I105V位点与COPD并无显著相关。这一结论也与此前大多数研究相符，而与近期Smolonska等人发表的一篇荟萃分析的结果相反。

进一步数据核查发现，该文错误地颠倒了2007年的两篇文献中疾病组和对照组的数据。当该错误得以修正后，得出了与他们研究相同的结论。同时，之前所有的分析，都假设GSTP1基因是以显性模式发挥作用的，然而这一点并不明确。通过对已发表的15篇文献数据的重新分析表明，GSTP1基因更有可能遵循隐性遗传模式。在隐性模式下，此位点在欧洲群体中与COPD显著相关，而在亚洲人群中未观察到任何显著相关性。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Adaptive evolution of energy metabolism genes and the origin of flight in bats

Bat flight poses intriguing questions about how flight independently developed in mammals. Flight is among the most energy-consuming activities. Thus, we deduced that changes in energy metabolism must be a primary factor in the origin of flight in bats. The respiratory chain of the mitochondrial produces 95% of the adenosine triphosphate (ATP) needed for locomotion. Because the respiratory chain has a dual genetic foundation, with genes encoded by both the mitochondrial and nuclear genomes, we examined both genomes to gain insights into the evolution of flight within mammals. Evidence for positive selection was detected in 23.08% of the mitochondrial-encoded and 4.90% of nuclear-encoded oxidative phosphorylation (OXPHOS) genes, but in only 2.25% of the nuclear-encoded nonrespiratory genes that function in mitochondria or 1.005% of other nuclear genes in bats. To address the caveat that the two available bat genomes are of only draft quality, we resequenced 77 OXPHOS genes from four species of bats. The analysis of the resequenced gene data are in agreement with our conclusion that a significantly higher proportion of genes involved in energy metabolism, compared with background genes, show evidence of adaptive evolution specific on the common ancestral bat lineage. Both mitochondrial and nuclear-encoded OXPHOS genes display evidence of adaptive evolution along the common ancestral branch of bats, supporting our hypothesis that genes involved in energy metabolism were targets of natural selection and allowed adaptation to the huge change in energy demand that were required during the origin of flight.

作者简介：

张亚平

院士，中共党员，理学博士，研究员，博士生导师。1991年在中科院昆明动物研究所获博士学位，1992－1995年初在美国圣地亚哥动物协会做博士后研究，1995年回国任研究员，现任中国科学院昆明动物研究所所长，中国遗传学会动物遗传专业委员会主任；《Cell Research》、《自然科学进展》、《遗传学报》、《科学通报》、《动物学报》、《生物多样性》、《动物学研究》等刊物编委。

他的研究小组主要从事进化基因组和基因组多样性研究,建立了广泛稳定的国际合作关系。他和合作者对哺乳动物重要类群的演化开展了系统深入的研究，澄清了一些类群系统与演化中的一些重要问题；在建立了东亚人群mtDNA单倍型类群的系统发育关系及基础上，探讨了东亚特别是中华民族的源流和人群的迁移与分化，提出了一些新观点；在我国系统研究了一些濒危动物和主要家养动物的遗传多样性；发现我国南方及周边地区是家养动物驯化的重要区域，证明遗传多样性的贫乏与物种濒危之间没有必然的对应关系；在脊椎动物中首次证明了微进化时间范围DNA进化速度有显著差异的现象，说明使用分子钟时应特别谨慎；深入开展了基因的起源进化和生物适应进化机制的研究，揭示了食物适应的一些遗传机制。1995年回国以来，在《Nature》、《Science》、《PNAS》、《Nature Genetics》、《American Journal of Human Genetics》等国际著名SCI刊物发表了一批论文，他们的论文已被引用约800次。因为在分子进化与遗传多样性方面的重要贡献，2002年荣获在美国颁发的国际大奖"Biodiversity Leadership Awards"，成为第一位获此殊荣的亚洲学者。他还先后获得过中国青年科学家奖、中国青年科技奖等奖励。 2001年入选国家创新研究群体。他与美国、日本等国的多个实验室有长期的合作关系，并联合培养研究生。已招收培养了一批博士和硕士研究生。

主持在研若干项国家和省部级项目，包括国家自然科学基金委创新研究小组项目"分子进化与进化基因组" （３６０万），中国科学院重要方向研究项目"动物的种群遗传及其与生态适应的关系" （３００万）等重大项目。