中国科学院青年立异促进会 李家堂
（中科院成都生物研究所）
评述论文：Biological adaptations in the Arctic cervid, the reindeer (Rangifer tarandus) (Science 21 June 2019: Vol 365, Issue 6446)
北极圈拥有漫长而冰冷的冬季，光照不敷，食物匮乏；极昼和极夜严峻侵扰常规24小光阴照节律。生活在北极和亚北极地域的驯鹿因而进化出奇特的生物学特征来适应那里的极端情况。
在严寒情况中生活的驯鹿通过收缩外周血管削减热量散失，并维持较低的根底代谢程度。在光照不敷的前提下，驯鹿角的快速生长需要大量的钙堆积，活化的维生素D[1a,25-(OH)2D3] 在钙的代谢和重吸收中阐扬着重要感化，因而揣度驯鹿维它命D的代谢才能可能显著加强。为了适应极地极端的光照节律，驯鹿的生物钟发作了改动，没有24小时的活动节律。
本期Science杂志，中国农业科学院李志鹏副研究员，西北工业大学暨中国科学院昆明动物研究所王文研究员，西北工业大学邱强传授结合攻关，基于驯鹿的基因组和反刍亚目基因组数据，通过比力基因组学和进化基因组阐发手段，对驯鹿对极地情况的那些适应特征停止领会析。研究人员提取了驯鹿基因组中28个参与维生素D代谢的基因，并与反刍动物和哺乳动物外群（猪、马和人）的基因组中的同源基因停止比力，发现与活化维生素D的基因CYP27B1和POR在驯鹿中遭到显著的正选择，6个基因（ACAT2, CYP51A1, EBP, CYP2R1, BK2和TRPV5）表示驯鹿特有的突变，别的的一个基因（APOB）被判定为快速进化基因。研究人员进一步通过重测序3只家养（中国）和3只野生（挪威）的驯鹿个别，发现那些基因的突变在所有个别中表示一致。因而认为，驯鹿中特有的与维生素D相关的突变，已被选择固定下来。
通过推导CYP27B1和POR的卵白三维构造来查看突变对那两种酶活的影响，发现只要CYP27B1基因的K282→N突变与已知的P450功用构造域较近。但是通过比力驯鹿、矮鹿和山羊CYP27B1和POR的同源卵白酶活性，发现驯鹿中那两个卵白的酶活要显著高于别的两个物种（图1）。那一成果表白驯鹿相关于其它物种确实有更高的维生素D代谢效率，那为驯鹿获取更多的活化维生素D，维持机体代谢、钙的吸收以及促进脂肪氧化以适应冰冷情况都具有重要意义。
图1. 驯鹿中的维生素D代谢。（A）驯鹿维生素D代谢路子的改动。涉及该路子的基因用差别颜色标识表记标帜。红色为正性选择基因，橙色基因为驯鹿中表示出特异性突变，蓝色基因在驯鹿中具有更大的Ka/Ks值（快速进化基因）。（B）驯鹿CYP27B1基因发作特异性突变，此中CYP27B1的一个突变（K282N）位于P450构造域。多个物种CYP27B1卵白量序列的比力（用差别颜色暗示）。（C）驯鹿与牛CYP27B1的三维构造模仿比力（D和E）驯鹿CYP27B1和POR的酶活性与矮鹿和山羊的酶活性的比力。
驯鹿脂肪代谢相关基因中积累了许多驯鹿特有的变异。那些基因包罗低密度脂卵白转运相关基因APOB，及在脂肪从头合成中起重要感化的基因FASN。那些基因在北极熊和阿德利企鹅的进化中同样遭到正选择。固然那两个基因在三个物种中受选择的位点差别，但也反映了极地生活的动物在脂肪代谢通路存在物种特异性的趋同进化。
图2. 驯鹿日夜节律基因和通路的突变。橙色为驯鹿特有突变基因；蓝色为在驯鹿中快速进化的基因（更高的Ka/Ks值）。（A）光调理驯鹿SCN神经元中的分子通路。（B）通过3D建模确定PER2的驯鹿特异性突变（P1172T）位于PER2-CRY复合物的连系域内，该突变的位点标识表记标帜为红色。（C）免疫共沉淀成果显示，复活型的PER2-T1172P（P型）卵白可与CRY1连系，但驯鹿PER2-P1172T（T型）不克不及连系。PER2-HA或PER2-T1172P-HA与CRY1-Flag共转染HEK293T细胞，然后停止免疫共沉淀。。（D）NOCT基因功用域具有特定突变。驯鹿NOCT基因在C末端去腺苷酶构造域中具有两个特异性突变（S276P和Q313R）。红色为驯鹿中的特异性突变氨基酸。
为了适应极地猛烈的光照变革，以至极昼和极夜的照顾周期，驯鹿在夏日和冬季不表示日夜做息节律，而表示差别寻常的内源褪黑激素排泄规律。其他哺乳动物通过下丘脑视穿插上核（SCN）的光信号转导通路调理生物钟。研究人员从KEGG和Reactome数据库中搜集了165个与心理节律相关的基因。通过对曲系同源基因的比力，发现8个基因的功用构造域表示为驯鹿特有的突变（PER2, NOCT, GRIA1, GRIN2B, GRIN2C, ITPR3, ADCY5和NOS1AP），4个基因（ADCY2, ADCY8, CALML4和CAMK2）表示为快速进化。4个快速进化的基因中ADCY8和CALML4同样包罗驯鹿特有的突变位点。已有研究表白period (PER1, PER2和PER3) 和cryptochrome (CRY1和CRY2)基因是维持心理节律的核心要素（图2）。通过卵白量三维构造预测发现，驯鹿PER2基因中的特有突变P1172T会影响PER2和CRY的连系才能。通过免疫共沉淀尝试同样证明驯鹿特有的PER2（1172T）不克不及与CRY1连系，而野生型PER2（P1172）却能和CRY1连系（图2）。那可能是驯鹿心理节律丧失的重要原因。不只如斯，研究中发现的其它基因在整个光信号转导通路的上游和下流都阐扬着重要感化。那些变革可能是驯鹿适应北极极端光照前提的重要构成部门。
此外，研究者也对驯鹿物种的特有性状的分子机造停止了探究。驯鹿是独一雌雄个别都生长鹿角的鹿科类动物。此前研究认为鹿角的产生和雄性激素的程度相关。但摘除性器官的雌鹿和雄鹿同样可以产生再生鹿角。揣度驯鹿可能对低程度雄激素具有更强的反响才能。驯鹿也是独一被人类完全驯化的鹿科动物。和野生驯鹿比拟，家养的驯鹿在行为形式，温顺水平以及线粒体序列都存在差别。那些差别的遗传根底目前还不清晰。研究发现雌性驯鹿生长鹿角可能是因为在驯鹿基因组中，鹿角特异表达基因CCND1上游产生了一个额外的功用构造域5′-TGTTCT-3′，其能与雄性激素受体连系。而驯鹿温顺的性格可能与神经嵴细胞的发育，转移和分化亲近相关。
该研究解析了驯鹿的极地生物适应，供给了重要的遗传学根底，那些研究成果将为人类安康范畴的科学开展，如维生素D对钙堆积的影响，骨骼和脂肪代谢等科学研究具有重要的鞭策感化。
做者简介：李家堂中国科学院成都生物研究所研究员，中国科学院青年立异促进会优良会员，生命分会会长。次要处置两栖爬虫类系统学，进化遗传学与基因组学方面的研究工做。参考文献：
Z. Lin et al. (2019) Biological adaptations in the Arctic cervid, the reindeer (Rangifer tarandus). Science, 10.1126/science.aav631.
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