于黎:在極端環境下基因組會發生什么變化

【字體: 時間:2016年08月03日 來源:生物通

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  來自云南大學、中科院昆明動物研究所、中科院北京基因研究所等10多家研究機構的研究人員成功破解了金絲猴適應高原的秘密,并揭示了其適應高海拔環境的遺傳機制。

  

生物通報道:青藏高原平均海拔超過4000米。大多數人在那里會遇到問題,因為隨著海拔升高,除氣壓外,氧分壓也會隨之降低,帶來的后果就是呼吸困難和高原病。因此動物如何應對高海拔地區缺氧環境的快速適應機制也就成為了科學家們關注的熱點問題。

近期來自云南大學、中科院昆明動物研究所、中科院北京基因研究所等10多家研究機構的研究人員成功破解了金絲猴適應高原的秘密,并揭示了其適應高海拔環境的遺傳機制。


(Nature Genetics最新封面)


這一研究成果以Nature Genetics封面文章(見上圖)發表(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).

研究人員基于多層次研究,包括種上和群體的基因組序列分析,轉錄組和功能實驗,發現與金絲猴物種適應高海拔環境相關的遺傳機制。文章的第一作者是云南大學云南生物資源?;び肜霉抑氐閌笛槭矣誒柩芯吭?。于黎研究員,張亞平院士和吳仲義教授為論文共同通訊作者。為了了解這項最新的研究成果,生物通聯系了于黎研究員,就讀者感興趣的問題請教了她。

極端環境對生物的影響
經過長達30億年的進化,生命的觸角已經延伸到地球的每一個角落,從大洋深處、洋底到平流層上端,所有最后的隱蔽處和裂縫處都有生命活動跡象。從熾熱和冰冷到純酸性和原子彈輻射,似乎沒有什么極端環境是生物無法承受的。

了解極端環境下生物對環境的適應性進化遺傳機制,為系統和整體的揭示自然選擇的遺傳機制提供了新的途徑,正如于黎研究員所說,“(這項研究)是一個很好的揭示生物在極端環境下基因組變異及適應極端環境的分子機制的切入點。連同其它高原適應性進化的研究有助于尋找到生物適應高原極端環境的普遍規律。選取非人類靈長目動物作為高原動物適應極端環境分子機制研究的研究系統,對生物適應高原極端環境分子機制有新的認識?!?br>
多層次,多角度分析金絲猴適應高原的秘密
據介紹,金絲猴屬包括5個物種:滇金絲猴、怒江金絲猴、川金絲猴、黔金絲猴和越南金絲猴。所有物種均被列為紅色物種名錄瀕危物種。除了?;ど镅系募壑低?,金絲猴屬物種還占據了從低海拔到高海拔的生活環境類型,尤其是滇金絲猴,生活在海拔高度4000米左右的高原,是除人類外世界海拔分布最高的靈長類動物。

這項研究利用二代Ilumina HiSeq2000測序平臺,對一只滇金絲猴進行denovo測序,并與其他哺乳動物的比較基因組分析,研究人員發現滇金絲猴中顯著擴張基因家族中的基因顯著富集在DNA修復和氧化磷酸化過程。此外,對滇金絲猴和獼猴多個組織進行RNA測序和比較轉錄組分析表明,能量代謝相關組織(心臟和肌肉)中高表達基因富集在與氧化磷酸化和心臟肌肉收縮相關通路。

“滇金絲猴中顯著擴張基因家族中的基因顯著富集在DNA修復和氧化磷酸化過程。這些基因可能與適應高海拔環境相關,”于黎研究員說。

接下來,于黎等人又對同屬的黔金絲猴,怒江金絲猴和越南金絲猴各一個個體進行全基因組重測序,并結合已經發表的川金絲猴denovo基因組,通過比較基因組學分析,在三個高海拔金絲猴物種中(滇金絲猴,怒江金絲猴和川金絲猴)發現6個基因中的8個共有氨基酸替換。這些基因與肺功能,DNA修復和血管生成相關。
研究人員對與DNA修復相關的CDT1的紫外輻照實驗表明突變型相對于野生型具有更強的穩定性。推測突變有助于金絲猴在高海拔環境中對紫外線的抵抗。對與血管生成相關的RNASE4基因檢測發現突變型在誘導HUVEC細胞生成管狀結構方面具有更高活性。推測突變可能增強RNASE4的血管生成能力,有助于金絲猴適應高海拔環境。

于黎研究員補充道,“除了種上水平的基因組分析以外,還對滇金絲猴和川金絲猴兩個高海拔金絲猴物種的群體基因組進行分析,研究結果發現了群體之間的重疊(BRCC3和RYR2)受選擇基因和各群體特異(NOX1, ATR, HDAC9, ARNT, ACE, SETD2, PDK3,CASQ2和ACSS3)的受選擇基因,這些基因與DNA修復,心臟和血管發育,缺氧反應,能量代謝和血管生成相關?!?/p>

“這項研究采用了基因組從頭測序,基因組重測序,轉錄組測序,細胞水平的功能驗證,”通過這樣多層次多角度的基因組序列分析和功能分析,這一研究組破解了金絲猴適應高原的秘密,并揭示了其適應高海拔環境的遺傳機制,為金絲猴高海拔適應提出了一些有價值的見解。


作者簡介
于黎
現任云南大學云南生物資源?;び肜霉抑氐閌笛槭也┦可際?、研究員,云南大學特聘教授。是教育部新世紀優秀人才,云南省中青年學術帶頭人,云南省高校重點實驗室主任、云南省高??萍即蔥巒哦雍馱頗鮮〈蔥巒哦喲啡?。任中國科學技術協會第九屆全國委員會委員,中國動物學會獸類分會理事,中國遺傳學會動物遺傳專業委員會委員,云南省遺傳學會常務理事和云南省細胞生物學學會常務理事和副理事長,《遺傳》,《獸類學報》和《Zoological Research》雜志編委。于黎研究員長期從事珍稀瀕危動物類群的起源與演變機制的分子基礎研究。入選“國家萬人計劃”?;瘛爸泄嗄晡逅慕閉隆焙汀爸泄嗄昱蒲Ъ醫薄幣約啊盎粲⒍逃鵯嗄杲淌薄鋇冉畢?。

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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