黄河裸裂尻鱼珠蛋白家族成员的基因结构特征及其在低氧适应中的作用

Oxygen is an essential factor for organism in term of metabolism and survival. Limitation in availability of oxygen (hypoxia) would severely impact survival and development of animal. The aqueous environments have a low oxygen capacitance and poor oxygen diffusibility, and show spatial, temporal or seasonal changes of oxygen availability. Therefore, most fish species have adapted to these conditions by a variety of physiological, anatomical and behavioral mechanisms that enable them to cope with periods of hypoxia. Schizopygopsis pylzovi, one species of the subfamily Schizothoracinae, is widely distributed in the upper reaches of Yellow River and shows extreme adaptation to high altitude hypoxia of Qinghai-Tibetan Plateau. In this project, we will clone the cDNA, promoter, intron and flanking sequences of the globin superfamily members by using of RT-PCR、Smart-race PCR and conventional PCR, and then conduct the analyses of gene structure and molecular adaptive evolution. The localization of globin superfamily members will be investigated with immunohistochemical method, and the genes will be mapped on chromosomes with multicolor in situ hybridization technology. Meantime, we will investigate the gene expression and regulation of globin superfamily members responding to hypoxic environment with Real-time PCR and Western blotting. The aims of this project are to get thorough understanding for the member constitution, gene structure characteristics and molecular adaptive evolution of globin superfamily, and then clarify the function and mechanism of globin superfamily in adaptation of Schizopygopsis pylzovi to high altitude hypoxia of Qinghai-Tibetan Plateau.

氧是机体进行新陈代谢和维持生存的必要因子，环境缺氧将严重影响动物的生存与发展。水体环境以低氧为特征，并呈现出空间、时间和季节性溶氧的波动性。应对低氧环境，鱼类在漫长的进化历程中形成了一整套生理、解剖和行为等方面的适应策略。本项目以极其适应于青藏高原低氧环境的黄河裸裂尻鱼为研究对象，利用RT-PCR、Smart-race PCR和常规PCR克隆珠蛋白超家族成员cDNA、启动子、内含子和侧翼序列，分析各成员的基因结构及分子适应性进化特征；利用免疫组化和多彩荧光原位杂交技术进行珠蛋白超家族成员的组织细胞定位和基因的染色体定位；利用Real-time PCR和Western blotting方法探讨低氧条件下黄河裸裂尻鱼珠蛋白超家族成员的表达调控。深入了解高原土著鱼类在珠蛋白超家族成员的组成、基因结构特征及其分子适应性进化中的独特性，阐述珠蛋白超家族成员在黄河裸裂尻鱼低氧适应中的作用和机制。

氧是机体进行新陈代谢和维持生存的必要因子，环境缺氧将严重影响动物的生存与发展。青藏高原土著鱼类在漫长的进化中，形成了一整套生理、解剖、行为和分子方面的适应策略以应对高原低氧环境。本项目以黄河裸裂尻鱼为研究对象，探讨了珠蛋白家族成员的基因结构特征及其在低氧适应中的作用。结果表明：（1）黄河裸裂尻鱼珠蛋白超家族由9个成员组成，即HbA、HbB1、HbB2、Hbae、Hbbe、Cygb1、Cygb2、Ngb和Mb；（2）所有珠蛋白超家族成员二级结构均由8个α螺旋组成，各基因3个外显子均由2个内含子隔开；（3）鲤科鱼类共同祖先（裂腹鱼、斑马鱼、鲤鱼、鲫鱼）基因组经历了加倍事件，从而使鲤科鱼类拥有2个肌红蛋白同源基因（Mb1和Mb2），但是在后期的进化中Mb2在裂腹鱼亚科鱼类和斑马鱼中发生了丢失。裂腹鱼亚科鱼类拥有2个β珠蛋白基因（HbB1和HbB2），然而只有HbB1参与了血红蛋白的组装；（4）成年型HbB1和HbA基因，以及胚胎型Hbbe和Hbae均以3′-5′和5′-3′方式串联在一起；（5）除HbB2、Cygb2和Ngb外，裂腹鱼亚科其他珠蛋白成员均发生了不同程度的适应性进化，蛋白位点的适应性改变可能影响了裂腹鱼亚科鱼类的血氧亲和力，从而提高低氧耐受；（6）成年鱼中同时表达有胚胎型和成年型血红蛋白，头肾不仅是合成血红蛋白的主要场所，而且具有储存血红蛋白的功能。应对低氧，引发Hb转录机器的关闭，启动节能机制，但是通过快速释放头肾中储存的血红蛋白来增强机体的摄氧量，提高循环中的血红蛋白含量，增强机体的存活率；（7）Cygb1和Cygb2均为氧敏感基因，低氧可诱导黄河裸裂尻鱼不同组织Cygb1和Cygb2的特异性表达，在低氧条件下Cygb1和Cygb2为体细胞供氧发挥了重要作用；（8）Mb主要表达在肌肉组织中，应对重度低氧，黄河裸裂尻鱼心脏组织中的Mb表达量急剧上升，表明Mb在黄河裸裂尻鱼心脏供氧中发挥重要作用；（9）Ngb主要表达在眼和脑组织。在低氧条件，Ngb在脑和眼中的表达量显著降下降，其他珠蛋白成员在维持神经组织的正常功能中是否发挥了补偿性作用有待进一步研究。