高原鼢鼠肺表面活性物质的特异性及控制其合成相关基因的进化和表达

The plateau zokor (Myospalax baileyi) is a specialized subterranean living on the Qinghai-Tibet Plateau, which has a strong adapting capability to the hypoxic-hypercapnic burrowing environments. Recently, studies showed that the genes related to synthesis of the pulmonary surfactant (PS) occurred positive selection and enriched expression in plateau zokor significantly. Our previous research found that the PS of plateau zokor had high content of heme protein which was different from hemoglobin, and the PS increased the dissolved oxygen significantly. Therefore, we inferred that plateau zokor obtained effectively oxygen from hypoxic environments not only by increasing the area of pulmonary alveoli, but also changing the constitutions and contents of PS through the evolution and expression of the related genes, which further increased the ability of gas exchange in lung by increasing the dissolved oxygen in PS, and that enhanced the plateau zokor’s adaptation to the hypoxic environments. Therefore, to shed more lights into the molecular mechanisms of plateau zokor and plateau pika (Ochotona curzoniae) adaptation to the hypoxic environments, the constitutions and contents of PS in plateau zokor, the effects of PS on the dissolved oxygen, and the evolution and expression levels of the key genes related to synthesis of the PS were measured and compared with that of SD rat (Rattus norregicus) in this project.

高原鼢鼠是青藏高原特有的地下鼠，对严重低氧环境具有强的适应能力。最新研究结果表明，高原鼢鼠肺表面活性物质合成相关基因产生了正向选择并富集表达。我们的前期研究结果发现，高原鼢鼠肺表面活性物质灌洗液含有较高含量的不同于血红蛋白的含血红素的蛋白，能显著增加溶氧量。因此我们推测，高原鼢鼠不仅通过较大的肺泡表面积从低氧环境中有效获取氧，而且通过相关基因的进化适应和表达调控改变肺表面活性物质的成分和含量，从而提高肺表面活性物质的溶氧量来进一步提高肺的气体交换能力，增强对低氧环境的适应能力。因此，本项目以SD大鼠和高原鼠兔为对照，研究青藏高原特有动物高原鼢鼠肺表面活性物质组成成分和含量；肺表面活性物质对溶氧量的影响；以及控制合成肺表面活性物质的关键基因的进化特征和表达水平，进一步探讨高原鼢鼠和高原鼠兔适应低氧的分子机制。

高原鼢鼠（Myospalax baileyi）和高原鼠兔（Ochotona curzoniae）是典型的青藏高原世居动物，对于低氧环境具有较强的适应能力。肺表面活性物质具有降低肺表面张力和改善肺部顺应性等功能，与呼吸系统疾病和肺部气体交换功能的维持关系密切。为了进一步探讨高原鼢鼠适应低氧环境的生物学机制,本研究以同地区地面动物高原鼠兔和平原SD大鼠为对照，研究高原鼢鼠肺表面活性物质的溶氧量，影响溶氧量的主要组成成分和含量，以及控制合成的编码基因、基因起源和结构、组织特异性表达和低氧对该基因表达的影响，合成和分泌的细胞及在肺组织中发挥的功能。结果发现，高原鼢鼠肺表面活性物质中该蛋白由血红蛋白β家族中胚胎型表达基因（γ基因）的旁系同源基因（γ-like）控制合成，四聚体蛋白为γ4 like；在高原鼠兔肺表面活性物质中该同源四聚体血红蛋白亚基是由高原鼠兔HBD（δ）编码的，它是美国鼠兔HBD的直系同源基因。在高原鼢鼠γ-like和高原鼠兔HBD上游区域都有一个低氧反应元件和肺组织特异性增强子；γ-like和HBD在肺组织中特异性表达，低氧显著上调该基因的表达；γ-like在高原鼢鼠肺泡上皮II型细胞中特异性表达，通过板层小体分泌到肺泡腔中，成为肺表面活性蛋白的主要成；HBD在高原鼠兔肺泡上皮I和II型细胞中特异性表达，通过板层小体分泌到肺泡腔中；抑制高原鼠兔肺组织中HBD的表达，导致HIF-1α表达水平、血液红细胞、血红蛋白、红细胞比容、乳酸含量显著升高，动脉血氧分压显著降低。以上结果提示，高原鼢鼠和高原鼠兔肺表面活性物质中的γ4 like和HBD可能有利于高原鼢鼠和高原鼠兔从严重缺氧环境中获得氧气，促进氧气从肺泡向血液扩散，从而增强高原鼢鼠和高原鼠兔对缺氧生境的适应能力。