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Science:三项研究揭示呼吸色素在脊椎动物中的演化

Science:三项研究揭示呼吸色素在脊椎动物中的演化

三则新的报告揭示了负责输送氧的呼吸色素是如何在脊椎动物中演化以帮助它们在更高的水平进行运作的。肌红蛋白和血红蛋白负责储氧,而氧则通过分解营养物质给活体生物提供能量。增高的蛋白水平或具有适应性的蛋白版本可增加供氧以帮助物种从事复杂的作业。高氧浓度是如何在某些物种中演化并在其中每个物种中分化以最好地适合于那个物种的则仍然不清楚。

在由Scott Mirceta及其同事撰写的一篇报告中,研究人员对深潜海洋哺乳动物的肌红蛋白在2亿年中的进化史进行了追踪,这些深潜哺乳动物是那些目前仅生活在陆地上的哺乳动物的亲缘动物。在对现有潜水哺乳动物的最大骨骼肌的这种色素浓度进行评估、并且在发现它与某种特殊的分子特征——即肌红蛋白表面电荷增加——密切相关之后,他们用祖先序列重建来推断这些物种的远古亲族动物体内的肌红蛋白浓度。他们的分析跨越了130个哺乳动物物种,其结果揭示,目前所有的潜水哺乳动物世系都呈现出电荷增高了的肌红蛋白。研究人员所观察到的这种电荷会引起肌红蛋白分子的相互排斥,且因而——连同它们所结合的氧——保持分开的状态并且更容易让肌肉获取并使用。增加的肌氧浓度是潜水哺乳动物的一个关键性特征,在它们深深潜入水下觅食时,这些深潜哺乳动物需要这样的肌氧浓度维持其活动能力。在深潜哺乳动物中所发现的这一特殊的肌红蛋白特征就哺乳动物演化出增强了的潜水能力的时机和路径提供了见解。

在第二则研究中,Chandrasekhar Natarajan及其同事在生活于高海拔地区的鹿鼠体内发现了氧结合过程中的一种适应性的变异。以往对来自落基山脉的高地鹿鼠与来自大平原地区的低地鹿鼠的比较揭示了他们在血红蛋白-氧亲和力上的遗传差异;这些差异可归因于自然发生的血红蛋白亚基的突变。Natarajan及其同事通过蛋白工程试验来研究当把不同的氨基酸变异代入到血红蛋白中时,来自这两个不同地域的鼠群的血红蛋白亚基的亲和力是如何改变的。他们发现该亲和力的增减取决于附近的血红蛋白变异的可变(等位基因的)状态。具体地说,带有独特突变位点的高海拔鹿鼠的血红蛋白展现出了增加了的氧亲和力。这种情况是有利的,因为这能为处在较冷气候中的落基山脉鹿鼠提供更多氧以用来消耗并保持其身体温暖。Natarajan及其同事观察到的结果可用异位显性来解释,异位显性是一个过程,通过该过程,在同一蛋白(在此为血红蛋白)中与突变位点的相互作用会引起表型的变化。这项研究就这一现象提供了一个相对罕见的例子,该研究可帮助解释为什么鹿鼠会有这样的地域分布特征。

在第三个报告中,Jodie L. Rummer及其同事也对血红蛋白进行了研究。研究人员对一个令生理学家们长期困惑的谜团进行了阐释:为什么一种仅在辐鳍鱼中发现的、且对酸高度敏感的血红蛋白会引起鲁特效应。在鲁特效应中,当血红蛋白的pH值较低时,其对氧的亲和力及运载能力都会下降。这种效应最出名的是能让有鱼鳔的鱼逆着血氧梯度在鱼鳔内卸载氧,这可促使鱼鳔膨胀并维持鱼的浮力。Rummer及其同事让虹鳟接触CO2含量增高的水——这不是一种理想的状态——并用光纤传感器来监测鱼肌肉组织中的氧浓度,他们发现氧浓度增加了65%。这表明,在应激时鲁特血红蛋白通过鲁特效应来增加对鱼肌肉的氧输送。氧合良好的肌肉可帮助鱼更有效地冲刺,协助它们觅食或逃跑。这是对鲁特效应的一个作用的发现,该发现可帮助确认在早期鱼类中影响形成这一复杂反应的选择性压力。

综合来看,这些研究揭示氧输送增强的演化如何在不同物种中改善了它们的表现,而且这些研究还就处于不同环境中的脊椎动物其适应性是如何改变它们相应的呼吸色素分子结构的提供了见解。一则由Enrico L. Rezende撰写的《观点栏目》对这些发现的含义做了进一步的阐释。

原文检索:

Scott Mirceta, Anthony V. Signore, Jennifer M. Burns, Andrew R. Cossins, Kevin L. Campbell,and Michael Berenbrink. Evolution of Mammalian Diving Capacity Traced by Myoglobin Net Surface Charge. Science 14 June 2013; DOI: 10.1126/science.1234192

Chandrasekhar Natarajan, Noriko Inoguchi, Roy E. Weber, Angela Fago, Hideaki Moriyama, and Jay F. Storz. Epistasis Among Adaptive Mutations in Deer Mouse Hemoglobin. Science 14 June 2013; DOI:10.1126/science.1236862

Jodie L. Rummer, David J. McKenzie, Alessio Innocenti, Claudiu T. Supuran, and Colin J. Brauner. Root Effect Hemoglobin May Have Evolved to Enhance General Tissue Oxygen Delivery. Science 14 June 2013; DOI: 10.1126/science.1233692

Enrico L. Rezende. Better Oxygen Delivery. Science, 14 June 2013; DOI: 10.1126/science.1240631

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