為啥高山倭蛙皮膚可以適應強紫外環境？

一方面，陽光對于生物至關重要；另一方面，過強的紫外輻射，不僅可能誘導黑色素瘤以及其他皮膚癌癥的產生，嚴重的甚至還會威脅生物生存。如何防御過多的紫外輻射對生物造成的影響，一直以來備受關注。許多生物體發展了不同的適應性特征，以對抗紫外輻射的有害影響，例如鳥類羽毛的顏色、人體皮膚色素沉著等。而在分子層面，目前發現與抗氧化代謝、DNA修復途徑等相關的基因可能在預防或減少紫外輻射造成的損傷中發揮了重要作用。然而，已有研究大部分是在實驗室對小鼠或人類細胞開展的體外紫外暴露實驗；而對于自然狀態下動物抵御紫外輻射的機制研究，大多是通過比較基因組分析，揭示有可能關聯的基因，尚缺乏深入的研究。高海拔地區空氣稀薄，具有極強的紫外輻射，分布在此的高原動物，進化出了一系列適應性表型以抵御紫外輻射。不同于鳥類、哺乳類等具有毛發、鱗片等覆蓋，蛙類皮膚裸露，沒有物理防護，這使得它們對于紫外的照射更為敏感，而能世居在高原上的蛙類，例如目前世界上海拔分布最高的蛙類—高山倭蛙（Nanorana parkeri），毫無疑問地為系統解析生物紫外適應的機制提供了可遇而不可求的模型。

中國科學院昆明動物研究所車靜課題組長期關注青藏高原地區兩棲、爬行動物的物種形成及適應性演化問題。圍繞高山倭蛙這一獨特的物種體系長期開展研究工作（PNAS, 2010, 2015, 2018a,b; Asian Herpetol. Res., 2019）。此次，在前期研究基礎上，聯合國內外5個研究團隊，以高山倭蛙（～4500m）為主要研究對象，采用整合生物學的分析方法，通過與其低海拔近緣物種雙團棘胸蛙（N. phrynoides, ～1700m）和棘胸蛙（Quasipaa spinosa, ～118m）的比較，揭示了高山倭蛙皮膚適應高海拔強紫外環境的分子調控機制。

生理實驗結果表明，紫外照射后，高山倭蛙相對于低海拔近緣種皮膚的損傷程度較小，具有更快速清除自由基的能力；代謝組數據顯示紫外照射后，高山倭蛙相較于棘胸蛙皮膚，分泌較多的與抗氧化、抗炎癥、損傷修復等相關的代謝物（如黑色素、維生素、組胺等），提示高山倭蛙演化出了高效的抵御紫外輻射及修復紫外損傷的策略（圖1）。

時序轉錄組學分析顯示，免疫反應、炎癥及抗氧化、熱激反應、細胞周期調節等不同應答功能通路呈現出交替的時序表達差異，包括早期表達上調（early-phase up-regulation）、后期表達上調（later-phase up-regulation）、逐步上調（gradually increased）、逐步下調（gradually decreased）（圖2），miRNA在部分功能通路的時序差異表達中起調控作用，表明了高山倭蛙在強紫外環境下，多系統表達互作，協同實現紫外抵御（圖3）。與近緣種的比較基因組學和轉錄組學研究顯示，多個與紫外抵御相關基因（包括與免疫調節、細胞凋亡、膠原蛋白形成、氧化壓力應激、黑色素代謝以及DNA修復等）在高山倭蛙中受到正選擇作用，通過體外酶動力學實驗發現，其中的黑色素合成中的關鍵基因TYR，在高山倭蛙中受選擇的突變位點能顯著提升絡氨酸酶的酶活。

綜上，不同于以往基于模式生物開展的體外細胞水平的實驗研究，本研究通過紫外梯度實驗結合多組學分析，明確了高山倭蛙已形成顯著的紫外適應，系統揭示了其應對強紫外的分子抵御調控機制。該研究結果不僅有助于理解自然環境下生物對紫外環境的適應抵御策略，也對人類皮膚方面的醫學健康具有重要的參考和應用價值。

該研究以“The highest-elevation frog provides insights into mechanisms and evolution of defenses against high UV radiation”為題，近日發表于國際知名學術刊物PNAS（https://doi.org/10.1073/pnas.2212406119）。中國科學院昆明動物研究所的付婷婷博士、孫艷波博士（現為云南大學研究員）、高偉博士為論文的共同第一作者，車靜研究員、張亞平院士、David M. Hillis院士（美國德克薩斯大學奧斯汀分校；中國科學院“愛因斯坦講席教授”）、賴仞研究員、張云研究員為本文的共同通訊作者。本研究得到中國科學院先導項目、第二次青藏高原綜合科學考察研究項目、國家自然科學基金項目，以及中國西南野生生物種質資源庫動物分庫（國家重大科技基礎設施專項）等研究項目的資助。

圖1. 高山倭蛙及近緣種皮膚紫外照射前后的組織形態學、生理學和代謝組學特征

圖2. 高山倭蛙及近緣種皮膚紫外照射后的時序表達模式