低壓造成的缺氧是高原環(huán)境對(duì)生物適應(yīng)的zui大阻礙。在高等動(dòng)物中，調(diào)控對(duì)缺氧環(huán)境應(yīng)對(duì)的核心通路就是HIF (Hypoxia-inducible factors，缺氧誘導(dǎo)因子）信號(hào)通路。這個(gè)通路的關(guān)鍵蛋白是HIF蛋白家族，包括多個(gè)成員，但zui重要而且功能zui強(qiáng)的是HIF1蛋白。HIF蛋白家族每個(gè)成員都是有alpha, beta兩個(gè)亞基構(gòu)成，這兩個(gè)亞基都是由不同的基因編碼，比如說(shuō)HIF1蛋白的兩個(gè)亞基就是分別由HIF1A, ARNT (HIF1B) 兩個(gè)基因編碼。只有兩個(gè)亞基結(jié)合在一起，才會(huì)形成有功能的核轉(zhuǎn)錄因子，然后調(diào)節(jié)下游一系列與缺氧應(yīng)對(duì)相關(guān)的基因，包括紅細(xì)胞生成，新血管生成，血管舒張，一氧化氮合成，細(xì)胞呼吸等。

為了迅速應(yīng)對(duì)突發(fā)缺氧事件，HIF1蛋白的調(diào)控非常*。首先，無(wú)論缺氧與否，HIF1B基因恒定的表達(dá)和翻譯，使得HIF1B蛋白 (beta亞基) 大量在細(xì)胞中積累。然而，HIF1A基因雖然同樣恒定的表達(dá)與翻譯，但是HIF1A蛋白 (apha亞基) 卻無(wú)法在細(xì)胞中積累。因?yàn)镻HD復(fù)合物監(jiān)控著細(xì)胞內(nèi)氧含量，不缺氧的情況下，PHD復(fù)合物傳遞信號(hào)給VHL等基因組成的泛素復(fù)合物，降解掉翻譯出的alpha亞基，讓它無(wú)法與beta亞基結(jié)合形成有功能的HIF1蛋白 (具體如下圖所示)。但缺氧情況下，PHD復(fù)合物受到抑制，alpha亞基會(huì)立即積累并與beta亞基結(jié)合。這種機(jī)制的主要目的就是在突發(fā)缺氧的情況下，免除轉(zhuǎn)錄翻譯以及蛋白積累的時(shí)間，迅速形成有功能的HIF1蛋白。

 

目前，對(duì)于動(dòng)物的高原適應(yīng)機(jī)制的研究，主要通過(guò)比較高原物種與它們的平原近親之間的生理以及基因上的差異。由于并非所有物種都能找到平原對(duì)應(yīng)近親物種，而且并非所有高原動(dòng)物都有比較高的研究?jī)r(jià)值，所以動(dòng)物高原適應(yīng)研究并不算非常多。目前有研究的物種包括以下幾種：

 

牦牛：

 

牦牛是由平原上的黃牛進(jìn)化而來(lái)的，而且牦牛和黃牛的親緣關(guān)系非常近，它們并沒形成生殖隔離，也就是說(shuō)牦牛和黃牛雜交產(chǎn)生的后代是可育的，而且在尼泊爾和我國(guó)西藏等地確實(shí)存在大量的雜種牛。比較黃牛和牦牛的基因組，就可以得出牦牛高原適應(yīng)的可能機(jī)制。目前發(fā)現(xiàn)，牦牛的許多與缺氧應(yīng)激相關(guān)的基因受到了自然選擇，包括HIF信號(hào)通路, 有氧呼吸，血管生成，血管大小調(diào)節(jié)等，這些受到自然選擇的功能都與對(duì)氧氣的運(yùn)輸與利用相關(guān)。關(guān)鍵的受到強(qiáng)自然選擇的基因包括ADAM17, ARG2和MMP3。ADAM17和ARG2都有調(diào)控HIF1A基因的功能，主要影響HIF1A蛋白的穩(wěn)定性。ARG2還是負(fù)責(zé)調(diào)控一氧化氮合成的重要基因。在生物體內(nèi)，一氧化氮zui重要的功能就是血管舒張和抑制紅血球凝集，這些都與氧氣運(yùn)輸有關(guān)。此外，一氧化氮也與HIF1信號(hào)相互促進(jìn)，HIF1蛋白促進(jìn)一氧化氮的生成; 一氧化氮抑制PHD蛋白，促進(jìn)HIF1蛋白的積累。MMP3是HIF1信號(hào)下游基因，參與很多生物過(guò)程，包括新血管生成等。總之，牦牛的高原適應(yīng)主要與HIF1信號(hào)以及一氧化氮調(diào)控相關(guān)。

The yak genome and adaptation to life at high altitude : Nature Genetics : Nature Research

 

藏獒與西藏灰狼：

藏獒是狗的一種，和其他狗一樣，都屬于灰狼這一個(gè)物種的馴化亞種。通過(guò)比較適應(yīng)不同海拔高度的藏獒以及狗，包括平原狗、海拔2000～3000米生活的云南狗、4000米的青海藏獒和5000米的西藏藏獒，發(fā)現(xiàn)藏獒的EPAS1基因和HBB基因受到強(qiáng)烈的自然選擇。EPAS1就是編碼HIF家族成員HIF2蛋白alpha亞基的基因，屬于缺氧反應(yīng)核心通路；而HBB則是編碼血紅蛋白beta鏈的基因，負(fù)責(zé)氧氣運(yùn)輸。高原型EPAS1基因與平原型之間共有4個(gè)氨基酸發(fā)生了突變，實(shí)驗(yàn)證明，這些突變可能與減小血管阻力，促進(jìn)血液流動(dòng)相關(guān)。很多生活在較高海拔的狗盡管全基因組和藏獒差別很遠(yuǎn)，但EPAS1的基因型卻和藏獒一致，可能是狗通過(guò)與藏獒雜交獲得了高原適應(yīng)的基因，然后這些基因型在種群中固定下來(lái)。

 

西藏灰狼是灰狼的一個(gè)野生亞種，通過(guò)比較西藏灰狼和平原灰狼，發(fā)現(xiàn)西藏灰狼的EPAS1, ANGPT1, 和 RYR2 三個(gè)基因受到強(qiáng)烈自然選擇。ANGPT1是血管生成素，負(fù)責(zé)新血管生成，是HIF1信號(hào)的下游基因; RYR2則與心臟功能相關(guān)。總之，犬類動(dòng)物大體上通過(guò)調(diào)節(jié)HIF通路及下游氧氣運(yùn)輸相關(guān)的基因來(lái)適應(yīng)高原環(huán)境。

 

Whole-genome sequencing of six dog breeds from continuous altitudes reveals adaptation to high-altitude hypoxia

PLOS Genetics: Hypoxia Adaptations in the Grey Wolf (Canis lupus chanco) from Qinghai-Tibet Plateau

 

金絲猴：

 

猴科疣猴亞科仰鼻猴屬可統(tǒng)稱為金絲猴，共包括親緣關(guān)系極近的五個(gè)物種，都是瀕危靈長(zhǎng)類動(dòng)物。它們棲息地海拔高度不一，非常適合研究高原適應(yīng)。其中越金絲猴與黔金絲猴生活在海拔2000米以下，川金絲猴和緬金絲猴生活在海拔2000～4000米，滇金絲猴生活在海拔4000米以上。共檢測(cè)出6個(gè)與川緬滇三種金絲猴高原適應(yīng)共同相關(guān)的基因：RNASE4, CDT1, ARMC2, NT5DC1, R1, DNAH11. 這些大抵與血管發(fā)生，DNA修復(fù)，肺功能有關(guān)。

 

為了確認(rèn)這些基因的功能，研究者特地比較了RNASE4和CDT1兩個(gè)基因高原型與平原型功能上到底有什么不同。RNASE4高原型與平原型之間共有兩個(gè)氨基酸的差別，其中第89位氨基酸，在其他哺乳動(dòng)物和越黔兩種金絲猴中都是天冬酰胺，但在川緬滇三種金絲猴中卻突變成了賴氨酸；第128位，在其他哺乳動(dòng)物和越黔兩種金絲猴中是蘇氨酸，在川緬滇三種金絲猴中卻突變成了異亮氨酸。用人的靜脈上皮細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，發(fā)現(xiàn)RNASE4高原型可以有效提高靜脈上皮細(xì)胞的血管發(fā)生能力。實(shí)驗(yàn)證明了RNASE4高原型可以提高血管生成的能力，而血管自然會(huì)增加供氧能力。CDT1主要功能是DNA修復(fù)，高原型與平原型之間只有一個(gè)氨基酸的差別，就是第537位氨基酸從丙氨酸突變成了纈氨酸。用人的海拉細(xì)胞系作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，發(fā)現(xiàn)高原型CDT1可以有效的抵御紫外線對(duì)細(xì)胞DNA造成的破壞。

川金絲猴不同群體分布的高度不同，研究滇金絲猴以及川金絲猴不同群體基因型的差別，研究者同樣檢測(cè)出了不同群體*的高原適應(yīng)基因。BRCC3和RYR2是滇金絲猴與高海拔的川金絲猴共有的高原適應(yīng)基因，功能分別是DNA修復(fù)和心臟功能。ATR是滇金絲猴*的高原適應(yīng)基因，可以調(diào)控HIF1A的表達(dá)，而且實(shí)驗(yàn)證實(shí)ATR確實(shí)與缺氧耐受相關(guān)。ARNT（也就是HIF1B）是高海拔的川金絲猴*的高原適應(yīng)基因。

 

Genomic analysis of snub-nosed monkeys (Rhinopithecus) identifies genes and processes related to high-altitude adaptation : Nature Genetics : Nature Research

 

此外，還有一些其它物種的研究結(jié)果，就不一一列舉了。大體上高原適應(yīng)總是落在缺氧核心通路HIF信號(hào)以及下游通路上，包括血紅蛋白功能，血管功能，細(xì)胞呼吸功能，一氧化氮合成等。畢竟，高原適應(yīng)的核心是缺氧適應(yīng)，自然得靠HIF通路來(lái)搞定。