合作探讨丽斑麻蜥高原适应的基因组变异

动物如何适应极端环境是进化生物学中一个研究热点。高海拔环境给生物体带来了低氧、高紫外线辐射、低压和低温等多重挑战。然而，适应这种恶劣环境的物种通常表现出许多生理能力，例如心率加快、肺通气量增加以及血红蛋白的氧亲和力增加。过去的二十年内，基于基因组学和种群遗传学的方法对动物高海拔适应的研究主要集中在哺乳动物和鸟类等恒温动物上[1-10]。这些研究筛选到与人类高海拔适应突变的基因有：EPAS1、 MTHFR和EGLN1等，其中EPAS1可能还参与藏獒和藏马的高海拔适应。后续在针对藏猪、山羊、藏鸡等动物的研究中还发现TRPC1、KCNMA1、SOCS2、SLC35F1等基因可能参与高海拔适应。相比之下，以两栖爬行动物等为代表的变温动物的高海拔适应遗传机制研究相对较少，仅有少量研究运用转录组学和比较基因组学的手段进行了探索[11, 12]。

该研究以广泛分布蜥蜴物种-丽斑麻蜥(Eremias argus)为研究对象，利用基因组学、种群遗传学、转录组学和细胞生物学的方法进行研究，筛选到一系列可能参与蜥蜴高海拔适应关键基因，这些基因的功能主要富集在能量代谢和DNA修复等通路上。该研究还深入分析了PHF14基因上两个非同义突变的功能效应，发现这两个突变可以增强细胞在低氧环境下的耐受力。

有鳞目爬行动物包括蜥蜴和蛇两个大类，它们具有不同的形态特征和多样的生活方式，因此被广泛应用于进化和适应研究。目前，一些生理和生态学家已经对有鳞目动物高海拔适应的生理和生化模式开展了系统研究，但是人们对这些物种适应高海拔环境的遗传机制尚不完全了解。在有鳞类中，丽斑麻蜥是一种广泛分布于俄罗斯、韩国、蒙古、中国东部平原和西部高海拔地区的蜥蜴，可以作为探究蜥蜴适应高海拔环境的理想模型。

本研究中，我们首次报告了丽斑麻蜥的高质量染色体版本基因组，基因组总长大约为1.63Gb，包含18条常染色体和1条性染色体。通过比较丽斑麻蜥、草原响尾蛇、欧洲普通壁蜥和原鸡基因组发现，蜥蜴的常染色体和性染色体上有多次染色体裂变/融合事件。这暗示有鳞目动物基因组有着频繁的染色体裂变/融合事件，并且可能与有鳞目动物的关键进化事件有关。

为探索丽斑麻蜥对中等海拔和高海拔适应的分子基础，该研究进一步收集并测序了从低海拔到高海拔地区分布的丽斑麻蜥多个样本（图1a-b）。利用以上的基因组数据，该研究联合多种种群遗传学的方法F_ST、θ_π、XP-CLR和Dxy，对高海拔适应相关基因进行了筛。分析一共筛选到197个候选基因（图1c-h），统计分析进一步发现其中9个候选基因中的13个非同义突变的等位基因频率随海拔升高而增加，提示这些基因对蜥蜴的高海拔适应相关（图2a）。通过对高、低海拔种群个体的肺部转录组分析鉴定到493 个下调和 845 个上调的差异表达基因（图2b），其中五个差异表达基因（OGFOD2, GRIK2, ABCA5, ALL2124,和ADPRH）还位于基因中受选择区域（图2c）。

图1 蜥蜴高海拔适应基因筛选

（图源：Li W , BMC Biol ., 2023）

图2 突变频率拟合分析以及差异表达基因鉴定

（图源：Li W , BMC Biol ., 2023）

在候选基因中，该研究发现PHF14基因区域具有较高的 F_ST和θ_π值，以及较低的 Tajima’D 值，表明该基因的选择信号较强（图 3a）。文献调研显示PHF14基因编码的蛋白是一种通过血小板衍生生长因子(PDGF) 受体-α 调节间充质生长的新型调节剂，以及细胞周期进程中的缺氧敏感表观遗传调节剂。该基因在高海拔青海种群中包含两个外显子候选突变位点。为探究 PHF14 基因型（I271F 和 E442D）的潜在功能差异，该研究测试了缺氧条件下 I271F 和 E442D 突变对人胚胎肾细胞（HEK293）的影响。实验发现来自低海拔基因型的野生型 (WT) PHF14 及其高海拔变体表现出相当的表达水平（图 3b-c）。在低氧条件下，具有过表达 PHF14 变异体的 HEK293 细胞系表现出相对于野生型 PHF14 较低的凋亡率，双突变体 PHF14（I271F 和 E442D）显示出最低的凋亡率（P < 0.01) (图 3d)。低氧刺激后，western blotting 显示，在 WT、I271F、E442D、双突变体（I271F 和 E442D）PHF14 过表达 HEK293 细胞中，缺氧诱导因子 1 (HIF-1α) 和血管内皮生长因子 (VEGFA) 等蛋白的表达显着增加（P < 0.05）（图3e）。该研究还进一步使用 RT-qPCR 测定PHF14 突变基因型对细胞凋亡的转录反应。在双突变体（I271F 和 E442D）细胞中，测试的九个下游基因中的三个基因（即 TP53、CDK6 和 ATK1）的mRNA 表达水平显着增加（P < 0.01）（图 3f）。双突变体（I271F 和 E442D）PHF14 过表达 HEK293 细胞中 CASP7 的 mRNA 表达水平显着降低（P < 0.01）。在单个突变体（I271F 或 E442D）中未观察到 mRNA 表达水平的显着变化。这些数据表明 I271F 和 E442D 可能共同作用参与 PHF14 介导的转录活性以响应缺氧条件下的细胞凋亡。

图3 PHF14突变体低氧条件下的功能实验

（图源：Li W , BMC Biol ., 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

在这项研究中，研究人员基于高质量的参考基因组和全基因组重测序研究了蜥蜴高海拔适应的遗传基础。研究使用了 F_ST、θ_π、XP-CLR和Dxy的组合方法对来自不同海拔高度的种群进行了选择性扫描分析，并获得了在基因组规模上具有异常高水平种群分化的候选基因组区域。分析共发现了197个候选基因，并测试PHF14基因上非同义突变的功能效应。相关结果表明爬行类动物适应高海拔环境的遗传机制可能与人类和哺乳动物有差异，为后续深入研究蜥蜴高海拔适应提供了基础。