百人學者肖武漢最新文章解析低氧信號傳導途徑

　　低氧信號傳導途徑是從線蟲到哺乳動物都十分保守的一個細胞信號傳導途徑系統，它對于維持后生動物的氧穩態至關重要。近期來自中國科學院水生生物研究所的“百人計劃”肖武漢在總結低氧信號傳導及其調控機制研究進展的基礎上, 綜述了魚類低氧信號途徑、低氧適應策略、低氧信號途徑網絡調控等方面研究的慨況。

　　大約25億年前, 由于光合作用, 地球開始積累氧氣. 盡管氧氣對于許多厭氧生物是有毒的, 但是它促進了氧化磷酸化這一特殊、高效系統的演化. 這一系統可將儲存在有機大分子碳鍵上的化學能轉化為ATP 上的高能磷酸鍵, 為生物細胞的生理、生化反應提供有效的能量供給. 此外, 氧分子作為氧化磷酸化的最終電子受體, 除了是生物能量產生的必需因子外, 還是許多酶的直接底物, 它對于生物的正常生長、發育和繁殖不可或缺. 因此, 后生動物演化出復雜的細胞代謝和生理系統來維持氧穩態(oxygen homeostasis), 并發展出高效的信號傳導系統來感受細胞內氧的變化. 一些重要的氧氣感應信號途徑主要通過激活轉錄或抑制翻譯來提升對低氧的耐受能力。

　　低氧信號傳導途徑在動物界非常保守. 目前已知, 從線蟲到人類, 低氧信號都啟動結構相同或相似的同源基因轉錄和調控, 并激活類似的生理、生化反應. 與陸生環境相比, 水環境呈現出更為寬廣的溶氧含量的時空變化, 因此, 與鳥類和哺乳類相比, 終生生活于水體的魚類能適應更為寬廣的氧環境. 由于在長期演化歷程中受到不同濃度溶氧水體的自然選擇, 魚類形成了適應不同溶氧水環境的物種. 即使是在同一海拔高度水體分布的近緣物種間或同一物種的不同品系間, 它們對水體溶氧的適應力也存在顯著差異. 此外, 對于分布于不同海拔高度水體的近緣物種間或不同品系間, 它們對水體溶氧適應能力的差異更大. 對于魚類低氧適應機制的研究, 不僅在認識魚類物種的分化以及低氧信號傳導途徑的系統演化和調控等方面具有十分重要的理論意義, 而且對于培育耐低氧魚類新品種具有十分重要的實踐意義.

　　在這篇文章中，作者在總結低氧信號傳導及其調控機制研究進展的基礎上, 綜述了魚類低氧信號途徑、低氧適應策略、低氧信號途徑網絡調控等方面研究的慨況。

　　作者指出，與小鼠模型相比, 早年利用斑馬魚模型進行基因敲除一直存在很大困難, 因此, 對于魚類與低氧適應相關基因的在體功能的研究非常欠缺, 對于它們的在體生物學功能還知之甚少. 近年來, 由于TALEN和CRISP/Cas9技術的建立和快速發展, 使得利用斑馬魚進行基因缺失研究變得較為便利. 因此, 在不久的將來, 應可獲得大量魚類低氧適應相關基因的在體生物學功能數據.

　　由于大水面水產養殖不同程度地造成水質污染, 在保護水生態環境的大前提下, 池塘精養、“工廠化”養殖等集約化養殖模式已成為水產業發展的根本出路. 通過增加養殖密度并提高單位面積的產量將成為確保水產養殖產量穩步提升、 并同時避免水環境污染的主要手段. 由于單位水體養殖密度和產量的提高, 不可避免地要求養殖品種的耐低氧能力相應提高.

　　為了培育耐低氧魚類新品種, 必須首先闡明魚類低氧適應和耐低氧的機制. 作者認為基本策略是:

　　(ⅰ) 可以通過比較基因組、轉錄組和蛋白質組技術, 對同一水體分布的不同耐低氧能力魚類物種或品系, 或分布于不同溶氧水體的近緣魚類物種或品系, 進行系統的比較組學分析；

　　(ⅱ) 選取代表性的低氧敏感魚類物種或代表性的低氧耐受魚類物種, 進行低氧暴露處理, 利用基因芯片、轉錄組測序和蛋白組學分析；

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　　(ⅲ) 利用生物信息學方法, 構建魚類低氧適應或低氧耐受的基因調控網絡, 鑒定關鍵節點基因；

　　(ⅳ) 利用基因功能的在體分析方法, 闡明這些關鍵節點基因的功能, 詮釋它們對魚類低氧耐受能力的貢獻, 篩選出有效分子標記或低氧適應/耐受相關的關鍵變異；

　　(ⅴ) 在此基礎上, 利用轉基因技術或傳統雜交技術, 培育耐低氧魚類新品種.