脑红蛋白与牦牛脑组织低氧环境的适应性机制

Neuroglobin is a novel member with oxygen-binding properties of the vertebrate globin family. Neuroglobin has a common feature of having high oxygen affinity and can combine oxygen reversibly, which is similar to the known globin members named as hemoglobin and myoglobin. Yak is the special population which can live and propagate in high and cold area with high adaptation to hypoxia environment, this kind of adaptability might be correlated with the organization structure and physiological characteristics of brain. The methods of immunohistochemistry, western-blot, FQ-RT-PCR, gene cloning and sequencing, PCR-SSCP are used in this study to detect the distribution characteristics in brain tissue as well as the molecular characteristics of NGB in yak and cattle, in order to seek after the distribution regularity, expression level, gene structure, molecular evolution characteristic and population genetic polymorphism. The conclusions might be helpful to explore the environmental influence on NGB distribution along with searching after the relationship between gene mutation and environmental difference. The results would become theoretical basis to research physiological function of yak NGB. Meanwhile, it would elucidate yak hypoxia adaptation mechanism and be important groundwork data of yak genomic research at the same time.

脑红蛋白（NGB）是新发现的一种主要存在于脊椎动物脑内的携氧球蛋白，和血红蛋白等已知球蛋白家族成员类似，也具有与氧可逆性结合的能力，但具体生理功能和意义尚不完全清楚。牦牛对高海拔低氧环境具有极强的适应性，这一生物学特性必然与其脑的组织结构及生理特征相关联。本研究拟采用免疫组化、蛋白免疫印迹、反转录荧光定量PCR、核酸测序以及PCR-SSCP技术对NGB在不同海拔地区高原牦牛以及平原黄牛脑中的定性定量分布及分子特征进行比较研究，揭示NGB在牦牛与黄牛脑内的分布规律、表达水平以及基因序列、分子进化、蛋白质结构和群体遗传多态性等分子特征，探寻低氧环境对NGB在牦牛脑内分布的影响、作用及其与基因突变的关联，为进一步探讨NGB的生理功能以及阐明牦牛低氧适应性机制提供有价值的理论依据，同时丰富牦牛携氧球蛋白基因组学研究的基础数据。

脑红蛋白（NGB）是新发现的一种主要存在于脊椎动物脑内的携氧球蛋白，和血红蛋白等已知球蛋白家族成员类似，也具有与氧可逆性结合的能力，但具体生理功能和意义尚不完全清楚。牦牛对高海拔低氧环境具有极强的适应性，这一生物学特性必然与其脑的组织结构及生理特征相关联。本项目采用免疫组化、蛋白免疫印迹、反转录荧光定量PCR、核酸测序以及PCR-SSCP技术对NGB在高原牦牛和平原黄牛脑中的定性定量分布及分子特征进行了比较研究，首次揭示了NGB在高原世居动物——牦牛脑中的分布规律和特点，对NGB的分布随生活海拔不同而产生的差异和影响进行了分析；首次阐明了牦牛NGB基因的结构、分子进化、编码蛋白质的结构性质以及群体遗传多态性特征等，丰富了牦牛携氧球蛋白基因组学的基础研究数据，同时，结合NGB在牦牛与黄牛脑内的分布特点，探讨了NGB基因功能、突变与牦牛低氧适应性之间的相关性。研究表明，牦牛不同脑组织中，NGB基因与蛋白均有不同程度的阳性表达，其中在顶叶皮质、脑垂体、蚓前叶中的表达量最高；牦牛脑组织大部分区域中，NGB和HIF-1α的表达与分布规律基本一致，提示HIF-1α可能对NGB存在直接或间接的协同作用，以提高牦牛脑对低氧环境的适应能力；牦牛NGB基因全长约为3840bp，包含有4个外显子和3个内含子，可编码一个由151个氨基酸残基组成的多肽；天祝白牦牛NGB基因编码的氨基酸序列与普通牛相比，在其第83位和第97位分别发生了丝氨酸（S）→脯氨酸（P）、精氨酸（R）→谷氨酰胺（Q）的突变，两处突变均未发生在NGB蛋白核心功能区，对NGB蛋白的功能不产生影响，但突变造成R侧链基团发生改变，可能会对NGB蛋白的稳定性、柔韧性及溶解度等造成一定改变。上述研究成果对于进一步认识NGB在高原低氧环境下的生理功能与作用机制、探讨和阐明牦牛脑组织低氧适应性机理具有重要的理论参考价值。