藏族人群高原低氧适应关键基因EPAS1和EGLN1互作的分子机制及功能验证研究

Tibetans living at the Qinghai-Tibetan Plateau area is an ideal population for studying genetic adaptation of humans to high altitude extreme environment. Funded by the key project of micro-evolution, we have conducted genome-wide comparison between Han Chinese and Tibetans, and re-sequencing of candidate genes in Tibetan populations. Further molecular evolution and gene-phenotype association analyses demonstrated that EPAS1 and EGLN1 are the two key hypoxic pathway genes containing Tibetan-enriched sequence variants that may contribute to high altitude hypoxic adaptation. In this project, utilizing cellular and transgenic animal models, we aim to dissect the mechanism of molecular interactions between EPAS1 and EGLN1, and to reveal the molecular basis of the adaptive physiological traits of Tibetans. In addition, we will evaluate the reproductive ability of transgenic mice carrying the adaptive mutations of Tibetans by calculating Darwinian fitness and intensity of selective pressure resulting from high altitude hypoxia. The result of this project will shed light on the fundamental question of how humans were adapted to high altitude extreme environments through multi-gene interactions in the genome.

世居青藏高原的藏族人群是研究人类高原极端环境遗传适应的理想群体。在前期微进化重点项目的支持下，我们通过汉藏群体的全基因组比较和候选基因藏族群体的重测序，发现低氧代谢通路上游两个调控基因EPAS1和EGLN1携带多个在藏族人群中高度富集的序列变异。进一步的分子进化和基因-表型相关性分析证实这两个基因是藏族低氧适应的关键基因。在前期工作的基础上，本集成项目将开展细胞和转基因动物水平的功能验证实验，解析这两个关键基因互作的分子机制及其导致藏族高原低氧生理适应的分子基础；同时，我们将以小鼠为模型检测携带藏族适应突变的转基因小鼠在低氧条件下的繁殖力，计算达尔文适合度并评估高原低氧极端环境的选择压力强度。本集成项目的研究结果将回答“人类是如何通过基因组水平的多基因相互作用来改变其生理机能，进而适应高原低氧极端环境”这一核心科学问题。

本项目紧紧围绕“藏族人群高原低氧适应关键基因EPAS1和EGLN1互作的分子机制及功能验证研究”这一核心研究内容，已按照计划完成全部的研究内容，严格按照批复的经费预算使用经费。研究成果包括：（1）初步阐明了低氧通路关键基因EPAS1与EGLN1在高原低氧环境中的调控网络与互作机制，即EPAS1与EGLN1在高原低氧环境中通过下调其转录表达水平来维持藏族人群血液中的正常血红蛋白浓度，进而降低藏族人群在高原低氧环境中发生高原红细胞增多症的风险；（2）系统分析了不同海拔低氧环境中藏族人群血液中的血红蛋白浓度的变化模式，提出海拔4500米可能是藏族人群对高原低氧环境最佳适应的临界海拔，初步回答了藏族人群究竟能适应多高海拔的低氧环境的问题。（3）系统揭示了一氧化氮在藏族人群对高原低氧环境适应的生理调节机制，修正了西方学者与国际高山生理学界坚持了十多年的有关藏族人群血液中的高浓度一氧化氮是其适应高原低氧环境的特有调控机制的假说，首次提出了一氧化氮在藏族人群对高原低氧环境生理适应的钝化调节机制假说。（4）首次利用三代长片段测序技术从头搭建了藏族人群的标准参考基因组序列，建立了藏族人群基因组的结构变异多态性数据库，为藏族人群对高原低氧环境的适应机制以及疾病防治提供了重要的基因组结构变异数据库。（5）首次系统构建了脐带内皮细胞在人工低氧环境下染色质可接近性与转录组、调控组的动态全景图谱，构建了EPAS1在低氧环境下的调控元件与受选择的反应元件及其调控网络，首次从调控层面解析了EPAS1在藏族人群对低氧环境的适应过程中的作用机制。上述成果为最终揭示藏族人群对高原低氧环境适应背后的调控机制提供了第一手的数据资源和理论证据。截至结题之日共发表研究论文6篇，其中在Molecular Biology and Evolution（1篇）、National Science Review（2篇）等高影响力杂志发表论文3篇，目前有1篇在Nature Communications杂志修回。