青藏高原鱼类适应性进化的分子机制和遗传基础

鲤科的裂腹鱼类、鮡科的鰋鮡鱼类和鳅科的高原鳅属鱼类各自的共同祖先在第四纪青藏高原急剧隆升以来以不同的策略快速适应了逐渐恶化的环境条件，如激流、低温、高辐射、低溶氧和低气压等。这些鱼类对高原环境的适应格局和过程为我们研究极端环境适应提供了理想的平台。本研究拟在基因组水平上探索鱼类适应高原环境的遗传基础。在对裂腹鱼类、鰋鮡鱼类和高原鳅属鱼类系统发育重建学和生物地理学格局分析基础之上，确定上述三个类群的特化分支种类和原始类群种类的代表性物种；进而对所选择的不同进化时期和不同海拔分布的代表性物种进行转录组测序。以此为基础，鉴定和筛选高原鱼类的特化分支代表物种中受到达尔文正选择的基因。系统分析青藏高原鱼类中受正选择基因的生物学功能，阐明不同物种适应高原环境共同和差别的基因和机制，并对重要适应相关基因的功能进行细胞和斑马鱼活体验证。

本项目实施过程中，我们对青藏高原鱼类中鰋鮡鱼类和裂腹鱼类的系统发育和生物地理进行了深入研究，发现了高原特有鱼类的适应格局和过程。在此基础上，从高原特有的裂腹鱼类的转录组序列中鉴定了低氧诱导因子－hif基因，研究裂腹鱼类基因的多倍化及其高原适应性进化机制。研究获得不同进化等级的裂腹鱼类hifα基因拷贝，通过序列分析、系统发育关系构建、正选择检验、功能分化分析以及hifα基因体外表达和转录活性研究，发现了（1）hifα基因的长度在不同进化等级的裂腹鱼类中存在差异，而在同一进化等级的裂腹鱼类中相同；（2）6种裂腹鱼类hif1αA蛋白的NODD结构域中都丢失了LXXLAP保守区，而特化和高度特化等级裂腹鱼类的HIF1αB蛋白的CODD结构域中的保守区突变为PXXLAP；（3）系统发育结果显示hif1αB基因可能与原始的hif1α基因关系更近；（4）hif1αA/B和hif2αA/B都经历了Ⅰ型和Ⅱ型功能分化，而且hif1αB受到显著的正向选择；（5）hif1α和hif2α在HEK 293T细胞中的表达量不同，HIF1α对HRE的激活作用在低氧条件下有不同程度的增加，hif1αB基因的转录活性在常氧和低氧条件下均较高，而且在低氧条件下转录活性增强；低氧条件下的hif2α基因转录活性并没有显著增加，甚至有所降低。综上所述，裂腹鱼中hifα基因加倍后产生了明显功能分化，特化等级和高度特化等级裂腹鱼的hif1αB受到显著的正向选择，并且无论在低氧还是在常氧下都有相对较高的转录活性，这或许是裂腹鱼类适应青藏高原低氧环境的机制之一。