鲸类氧化应激防御的进化遗传学机制

Ischemia/reperfusion is a potentially hazardous condition that increases reactive oxygen species production and oxidative damage. Cetaceans experience repetitive episodes of ischemia/reperfusion during and after a dive, however, they are not exposed to the oxidative damage. Physiological studies showed that cetaceans have developed a number of protective mechanisms that allow them to tolerate oxidative stress, but the molecular mechanism underlying the adaptive characterizer remain elusive. Here we analyze key genes under strong positive selection, significantly differentially expressed genes and remarkable oxidative stress-related pathway by extensive comparative genomes and transcriptomes analyses in cetaceans and other species tolerating oxidative damage. We also carry out the experiment to test the adaptive functional changes conferring oxidative stress resistance. Our study brings novel insights into the genetics and evolution of oxidative stress resistance in cetaceans, and provides insights into the evolutionary forces that shape the different strategy for tolerating oxidative stress in different mammals.

鲸类擅长潜水，可以在水下停留数分钟至数小时。虽然鲸类在潜水过程中经受缺血再灌注的胁迫，但并没有像其他动物那样发生因为自由基过量引起的氧化应激损伤，导致疾病或死亡发生。已有研究表明，鲸类在进化过程中形成了适应氧化应激不利影响的生理机制，但迄今其氧化应激防御的分子机制仍不清楚。本项目选择鲸类及其他代表性氧化应激防御物种为研究对象，从基因组和转录组水平上通过分子进化分析鉴定与氧化应激防御相关的正选择基因、不同组织抵抗氧化损伤的差异表达基因以及表达调控关键信号通路，并结合必要的功能实验验证等，揭示潜水性鲸类氧化应激防御的分子适应机制，及关键基因对鲸类抗氧化能力的功能影响及其遗传效应，并探讨鲸类及其他哺乳动物类群氧化应激防御遗传机制的异同。本项目的开展有助于揭示鲸类次生性水生适应中耐受氧化应激的分子基础。

围绕鲸类及其他海洋哺乳动物氧化应激防御遗传学机制开展研究，通过比较基因组学、生物信息学和功能实验验证，系统地揭示了哺乳动物抗氧化酶关键基因家族的进化模式，SOD和GPX基因家族在鲸类中发生支特异性扩张有利于提高对自由基的抵抗和清除能力；GPX基因家族的数目和选择压力与生境之间存在显著的相关性，暗示抗氧化酶基因家族在海洋哺乳动物及其近缘陆生物种中进化格局存在差异，并强调了生态因素在分子适应中的重要性。嘌呤代谢通路基因在鲸类谱系表现出正选择、加速进化和特异氨基酸变化等适应性进化信号，提示其在鲸类抵抗氧化损伤过程中的重要作用。功能实验发现携带鲸类特异位点的关键限速酶-黄嘌呤脱氢酶具有更强的酶活性、更高的热稳定性以及较低的黄嘌呤氧化酶转化效率，提示特异位点的累积使得鲸类嘌呤代谢相关基因发生适应性功能改变，从而减少活性氧的产生避免氧化损伤。此外，鲸类、鳍足类和海牛类群间在嘌呤代谢通路基因中检测到共享的正选择基因和趋同的特异氨基酸突变位点，为海洋哺乳动物趋同的氧化应激抵抗策略提供了分子证据。上述研究揭示了重要氧化应激防御野生动物类群中相关基因的进化模式及其演化意义，有助于全面理解海洋哺乳动物对水生环境适应的遗传机制。