鳄鱼真正的厉害之处——突变的血红蛋白

一条尼罗河鳄鱼吞下了一只黑斑羚，这是它在水面下埋伏的回报。通过复活古代鳄鱼祖先的血红蛋白，一个研究团队解释了为什么其他脊椎动物未能进化出让鳄鱼在没有空气的情况下存活数小时的适应性。

　　

对古代蛋白质的实验表明，突变比以前认为的要多得多，也更微妙。它能以每小时50多英里的速度蹦蹦跳跳，一跃就能跳30多英尺。但在撒哈拉以南的河边，这只易受惊的黑斑羚在100度的高温下安静地喝水，这是它的生死之源。

在过去的一个小时里，一条尼罗河鳄鱼一直静静地潜伏在这条泥泞的河里。当这种顶级掠食者出击时，它有力的双颚会以5000磅的力量夹住毫无戒心的黑斑羚的后腿。然而，真正的武器是水本身，因为鳄鱼会把猎物拖到深水区淹死。   

鳄鱼伏击的成功之处在于纳米级的氧气瓶——血红蛋白——它在血液中流动，以缓慢但稳定的速度将氧气从肺部释放到组织中，使它可以在没有空气的情况下存活数小时。这种特殊的血红蛋白的超高效率让一些生物学家想知道，为什么在世界上所有有颚的脊椎动物中，鳄鱼是唯一找到这种最优解决方案来最大限度地呼吸的物种。

内布拉斯加州大学林肯分校的Jay Storz及其同事通过统计重建和实验复活了2.4亿年前所有鳄鱼目动物和鸟类的祖先祖龙的血红蛋白，对其原因有了新的见解。鳄鱼血红蛋白的独特特性并不像早期研究认为的那样只需要几个关键的突变，而是源于21个相互关联的突变，这些突变破坏了红细胞的复杂成分。

研究人员说，这种复杂性，以及任何一种突变都能在血红蛋白中引起的多重连锁反应，可能已经形成了一条如此迷宫般的进化之路，以至于大自然甚至在数千万年里都无法追溯它。

Storz说:“如果这是一个很简单的把戏——如果它很容易做到，只需要做一些改变——每个人都会这么做。”所有的血红蛋白都在肺部与氧气结合，然后在血液中游动，最终将氧气释放到依赖它的组织中。在大多数脊椎动物中，血红蛋白捕获和保持氧气的亲和力很大程度上是由有机磷酸盐分子决定的，有机磷酸盐分子附着在血红蛋白上，可以诱导血红蛋白释放其宝贵的货物。

但是在鳄鱼、短吻鳄和它们的同类中，有机磷酸盐的作用被碳酸氢盐分子所取代，碳酸氢盐分子是由二氧化碳分解产生的。因为辛苦工作的组织会产生大量的二氧化碳，它们也间接地产生大量的碳酸氢盐，这反过来又会促使血红蛋白将氧气分配到最需要它的组织。

Storz说:“这是一个超级高效的系统，提供了一种缓慢释放机制，允许鳄鱼有效地利用它们船上的氧气储备。这是它们能在水下待这么久的部分原因。”作为Storz实验室的博士后研究员Chandrasekhar Natarajan、Tony Signore和Naim Bautista已经破译了鳄鱼血红蛋白的工作原理。Storz的团队与来自丹麦、加拿大、美国和日本的同事们一起，决定开始一项多学科研究，研究氧气运输奇迹是如何产生的。

之前了解其进化的努力包括将已知的突变纳入人类血红蛋白中，并寻找任何功能性变化，这通常很少。他自己实验室最近的发现使斯托兹确信这种方法是有缺陷的。毕竟，人类的血红蛋白与现代鳄鱼进化而来的古代爬行动物的血红蛋白有很多不同。

Storz说:“重要的是了解突变对它们实际进化的遗传背景的影响，这意味着在祖先和后代蛋白质之间进行垂直比较，而不是在当代物种的蛋白质之间进行水平比较。通过使用这种方法，你可以弄清楚实际发生了什么。”

因此，在生物化学原理和统计学的帮助下，研究小组开始从三个来源重建血红蛋白蓝图:2.4亿年前的祖龙祖先;所有鸟类最后的共同祖先;还有八千万年前当代鳄鱼的共同祖先。在实验室中测试了所有三种复活的血红蛋白后，研究小组证实，只有直接鳄鱼祖先的血红蛋白缺乏磷酸盐结合，具有碳酸氢盐敏感性。

比较祖龙和鳄鱼祖先的血红蛋白蓝图也有助于识别氨基酸的变化——主要是血红蛋白骨架的关节——这可能被证明是重要的。为了测试这些突变，Storz和他的同事们开始将某些鳄鱼特有的突变引入祖龙祖先的血红蛋白中。通过识别使祖龙血红蛋白表现得更像现代鳄鱼的突变，研究小组拼凑出了导致这些独特的鳄鱼特有特性的变化。

与传统观点相反，Storz和他的同事发现血红蛋白对碳酸氢盐和磷酸盐反应的进化变化是由不同的突变组驱动的，因此一种机制的获得并不依赖于另一种机制的丧失。他们的比较还显示，尽管少数突变足以减去磷酸盐结合位点，但还需要其他多个突变来消除磷酸盐敏感性。以同样的方式，两个突变似乎直接推动了碳酸氢盐敏感性的出现——但只有在与其他容易被忽略的血红蛋白偏远区域的突变结合或之前才会出现。Storz说，这些发现说明了这样一个事实，即基因突变的组合可能产生的功能性变化超过了它们各自影响的总和。一个自身不产生功能性影响的突变，可能以各种方式打开一条通向其他具有明确、直接后果的突变的道路。他说，同样的道理，如果没有适当的阶段设定的前辈，这些后来的突变可能影响不大。所有这些因素都可能被它们所处的环境所加强或阻碍。

Storz说:“当你有这些复杂的相互作用时，这表明某些进化的解决方案只能从某些祖先的起点获得。有了祖龙的血红蛋白，你就有了一个遗传背景，可以进化出我们在现代鳄鱼的血红蛋白中看到的独特属性。相比之下，以哺乳动物的祖先为起点，可能有某种方式可以进化出相同的特性，但它必须通过完全不同的分子机制，因为你是在完全不同的结构背景下工作。”

Storz说，无论是好是坏，这项研究也有助于解释为什么很难设计出一种能够模仿并接近鳄鱼的性能的人类血红蛋白。“我们不能只是说，‘好吧，这主要是由于这五种突变。如果我们把人类血红蛋白引入这些突变，voilà，我们就会有一个完全相同的特性，我们也可以在水下呆两个小时，’”。事实证明，事实并非如此。“在生命之树上，有很多无法从这里到那里的问题。”

参考文献:

Evolution and molecular basis of a novel allosteric property of crocodilian hemoglobin” by Chandrasekhar Natarajan, Anthony V. Signore, Naim M. Bautista, Federico G. Hoffmann, Jeremy R.H. Tame, Angela Fago and Jay F. Storz, 21 December 2022, Current Biology.