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基因让你征服高原——旱獭和古人类研究揭示遗传进化秘密

基因让你征服高原——旱獭和古人类研究揭示遗传进化秘密

基因让你征服高原——旱獭和古人类研究揭示遗传进化秘密

基因让你征服高原——旱獭和古人类研究揭示遗传进化秘密

(神秘的地球uux.cn报道)据中国科学报(唐凤):寒冷的喜马拉雅山脉是“雪的故乡”,这里也是一种小小“雪猪”的家园。

这种名为喜马拉雅旱獭的动物可以在海拔5000米的地区生存,是许多野生动物,如牦牛、藏羚羊和藏獒的“小”邻居。

而在遥远的大洋彼岸,稀缺的氧气、寒冷的气候和强烈的紫外线辐射使得安第斯山脉生命罕至。那么古人类是如何适应这种高地生活的呢?

在这些高海拔区域,无论是喜马拉雅旱獭还是人类,都会面临极端寒冷、缺氧和其他资源匮乏的生存环境。那他(它)们又是如何克服困难,在恶劣环境下繁衍生存的呢?

现在,中美研究人员分别发布了首个喜马拉雅旱獭完整基因组测序和古代安第斯人基因研究成果,这可能有助于人们一窥高地生活的场景。相关论文分别发表在iScience和《科学进展》上。

“我们的研究显示古代安第斯人适应高海拔生活是一个非常独特的过程,与同样生活在高海拔环境的中国青藏高原人群并不相同。”其中一项研究的合作者、美国加利福尼亚大学默塞德分校考古学家Mark Aldenderfer告诉《中国科学报》。

同样,喜马拉雅旱獭也与其他高原地区哺乳动物不同,它们在冬季冬眠,且冬眠洞穴特别深。而这些动物在高原冬眠更是面临严重的缺氧和寒冷压力。

故事先从更早征服高原的喜玛拉雅旱獭说起。

理想模型

“喜玛拉雅旱獭是栖息地海拔最高的哺乳动物之一,长期暴露在寒冷、缺氧和强烈的紫外线辐射下,冬季也会冬眠6个多月。”该研究主要负责人、西安交大教授刘恩岐说。

而这些显著的生物学特征使得刘恩岐和他的团队,包括第一作者白亮(音译),认为喜玛拉雅旱獭是研究极端环境适应分子机制的理想动物模型。

喜马拉雅旱獭广泛分布在印度、尼泊尔和巴基斯坦喜马拉雅地区以及青藏高原海拔1900至5000米处。这种动物具有几个独特的生物学特征,如冬眠、深洞挖掘、厚皮毛和增大的体积,这可能与其对恶劣环境选择压力的演化相关。

于是,研究人员对一只来自青海省西宁市的两岁雄性喜马拉雅旱獭的完整基因组草图进行了测序和组装。他们还重新测序了其他20种喜马拉雅旱獭的基因,包括生活在高海拔和低海拔地区的个体,以及其他4种喜马拉雅旱獭。

此外,该团队还进行了RNA测序,对比了处于麻醉状态和清醒状态的喜马拉雅旱獭的基因表达差异。

刘恩岐表示,研究提示了高海拔适应和冬眠背后的遗传机制,这也是研究喜马拉雅旱獭进化、高原疾病和寒冷适应的有价值资源。

基因告诉你答案

DNA数据显示,喜马拉雅旱獭在大约200万年前与蒙古旱獭分道扬镳。研究人员发现两种基因(Slc25a14和ψAamp)在低、高海拔地区喜马拉雅旱獭中存在不同选择。这表明它们与高海拔种群在低氧条件下的生存有关。

他们还认为Slc25a14可能具有神经保护作用。而ψAamp的变化影响编码基因Aamp的RNA的稳定性,这可能是一种防止在极低氧条件下心血管过度生长的保护策略。

RNA测序数据显示,冬眠期间肝脏和大脑的基因表达发生变化,包括脂肪酸代谢途径中的基因以及血液凝固和干细胞分化。

有趣的是,之前一项研究表明,由于冬眠动物的大脑暴露在接近冰点的温度并且血流量减少,因此血栓的风险增加。而喜马拉雅旱獭的脑干细胞可以更好地准备修复损伤,作为在极端环境压力下生存所需的适应性。

遗传变异同样也让古人类占领了高原。DNA研究表明,一些南美高地人的心肌发生了变化。

一直以来,人类基因组学研究并未涉及安第斯山脉的考古问题。大多数研究是针对安第斯山脉较为复杂的社会,如莫希人、蒂瓦纳库人、瓦里人和印加人的文化史进行的。但研究这些复杂社会的经济、政治和生活方式并不需要基因证据。

“然而,包括我在内的一些考古学家一直对早期人类是如何最终进入安第斯山脉的十分感兴趣,正是这个小群体开始进行古DNA和基因组研究。”Aldenderfer告诉《中国科学报》,“寻找遗址和遗骸造成了不小的麻烦,好在这里寒冷和干燥的条件帮了我们。”

于是,为了弄清古代安第斯人如何适应海拔2500米以上的生活,亚特兰大市埃默里大学人口遗传学家John Lindo团队及Aldenderfer团队,对6800年前至1800年前生活在秘鲁安第斯山脉提提卡卡湖附近的7个人类个体的基因组进行了测序。

研究人员还将这些基因组与来自两个现代人群的基因数据进行了比较——生活在高地的玻利维亚艾马拉族人和生活在智利南部低地海岸的惠里契—佩温切族人。

进化适应很独特

该研究发现了一种叫做DST的基因选择迹象,这种基因与心血管健康和心肌发育有关。

“这显示,安第斯人对缺氧的遗传适应与青藏高原居民不同。在安第斯山脉,人们选择的是增强心肌,进而促进体内血液循环。但在西藏,这种选择作用于不同的基因——EPAS1,它可以降低人体血液中的血红蛋白水平,使身体非常有效地利用氧气。”Aldenderfer说。

同时,研究人员还发现,与淀粉消化有关的基因中出现了一种更加强烈的自然选择迹象。Lindo指出,因为含有大量淀粉的马铃薯是在安第斯山脉被人类驯化的,并且很快成为了主食,因此出现了这种适应性进化。

通过测量安第斯山脉高地人群和低地人群之间随时间推移而逐渐积累起来的随机基因差异的数量,该研究小组估计这些人群之间的基因分裂可能发生在8750年前,这个时间与考古学数据相符。

研究小组还在现代高地人的基因组中发现了一个与欧洲人接触的具体迹象—— 一种对天花疫苗产生反应的免疫受体。Lindo计算出,在与欧洲人接触后,土著高地人口减少了27%。

“欧洲人带来的流行病杀死了许多安第斯人,一些幸存者对促进对天花等欧洲疾病的抗性的基因进行了选择,这种选择在安第斯山脉的现代人群中一直存在。”他说。

此外,刘恩岐也表示,他们计划继续提高喜马拉雅旱獭基因组的质量。喜马拉雅旱獭因对土拨鼠肝炎病毒高度敏感而闻名,并且是人类瘟疫的天然寄主和传播者。“我们将阐明导致肝炎病毒和细菌感染的免疫系统特征。”他说。

Aldenderfer则希望找到更多安第斯高地早期遗址样本。“安第斯山脉人口历史的重建依赖于从很多地方采集的大量样本——这有助于我们更好地对所发生的事情进行历史重建。”他说。

相关论文信息:DOI:10.1016/j.isci.2018.11.034
DOI: 10.1126/sciadv.aau4921




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