犬在高原低氧环境适应性的研究进展

李 静 陈方良 陈 超 万九生 唐树生 韦云芳

（公安部昆明警犬基地，云南昆明 650204）

犬在高原低氧环境适应性的研究进展

李 静 陈方良*陈 超*万九生 唐树生 韦云芳

（公安部昆明警犬基地，云南昆明 650204）

高原环境中的低氧因素对于栖居在高原上的人类和动物是最极端的生存挑战之一。犬在高原低氧环境下会产生一系列适应性的生理性变化，同时，低氧适应相关基因在机体低氧适应的调控过程中起着非常重要的作用。随着分子生物学技术的发展，越来越多参与低氧适应调控通路的基因被发现。本文就犬在低氧适应性方面的生理变化和相关基因遗传机制的研究进展进行综述。目前犬表现出与低氧适应相关的基因大多涉及低氧诱导信号通路以及血红蛋白血氧结合的通路上。开展低氧适应性研究可以为低氧相关疾病的研究提供生理和遗传基础资料，寻找低氧分子标进行高原耐低氧环境的定向品种培育，同时对高原家养动物特色基因的保存和利用及高原畜牧业的发展具有重要意义。

犬；高原低氧；EPAS1；HBB；适应性

1 前言

家犬作为人类最早驯化的家养动物和最亲密的朋友，在人类进化迁徙的各个时期，家犬也跟随人类迁徙到高原地区并已长期适应了高原的低氧环境。相比于低海拔地区的犬，高海拔地区的家犬在长期生活和适应积累的过程中，形成了特异的高海拔低氧适应性。研究犬在高海拔低氧适应性有多方面的重要意义，探求犬在高原地区适应性的生理机制，对警犬等用在高原地区出现的高原反应和疾病的防治具有重要作用。同时寻找低氧适应性相关的分子标记，可以定向培育适应高原环境的犬服务人类和警用等需要。本综述旨在总结已有研究经验，为下一步的犬高原适应性研究打下基础。

2 高原地区的环境特征

高原通常意义上认为是海拔2000～3000m以上地域面积较为广阔的特殊区域。对于生存在高原环境下的生命的影响涉及大气物理，地球化学和生物生态环境等诸多方面，而低氧，低气压，低温，强紫外线照射，大风、低湿度和气候多变，这些都对生物的生存带来了极大的挑战。其中升高的海拔环境形成大气压下降和其中氧分压的降低，可吸入氧含量的下降是对生命影响最主要的环境因素。研究显示，当海拔上升到4000m时，空气中氧含量仅为海平面的60%；而到海拔5000m时空气中氧含量仅为海平面的50%甚至更低，因此氧分压与海拔高度呈现出显著的负相关[1]。

3 高原低氧环境引起的主要的生理变化

高原反应其本质是机体的低氧反应。以人类为例，未经适应的人迅速进入高海拔地区，由于空气中的氧含量低下，导致吸入的空气氧分压降低，从而引发人体低氧血症，俗称“低氧”，也就是人们常说的“高原反应”。低氧适应的本质，就是在低氧的条件下，机体能够最大化的利用有限的氧，进而完成正常的生理生化功能。生活在低海拔地区的人快速来到高原地区，对于轻度和中度低氧，在短暂适应一段时间后，机体通过整体水平代偿机制调节，加快呼吸，增加肺通气；通过增加红细胞数目和血红蛋白浓度，以增加携氧能力保证氧气供应；或加快心跳速率和加强心脏泵血功能，以增加血氧量等。这些适应性的变化可以达到短期低氧适应的目的。

然而对于更高海拔的重度低氧，整体代偿作用则远远不能满足机体对能量的需求。虽然人体受低氧环境的胁迫会加速产生血红蛋白以获得更多氧气，然而血红蛋白的过度生产却又会导致血液黏稠。因组织细胞不能充分获得氧和利用氧，使糖和脂肪不能彻底分解氧化，或碱中毒或酸中毒导致血糖升高、血压或血脂升高；能量减少，不能满足细胞组织需求，造成慢性高原疾病，甚至有可能引发肺水肿和脑水肿，导致呼吸困难、呕吐等症状，严重时甚至出现猝死。除因环境缺氧外，还有精神紧张、劳累等使耗氧量增加，加重缺氧有关，但是关键还是组织细胞主动获取氧和利用氧能力降低。

4 犬在高原低氧环境下机体生理适应性的变化

4.1 对心血管系统的影响

由于缺氧，犬的情绪兴奋和轻微运动都会使心跳加速。初到高原，犬体的晨脉（清晨初醒时的脉搏）较海平面水平高20%左右。10d后，晨脉应降至原来水平[2]。所以，通过测量晨脉的变化程度和恢复到原有水平的时间，可以判断犬对高原的适应能力。

红细胞和血红蛋白在生物体内负责运输氧气，满足机体对氧气的需要。而红细胞在数量增多的情况下，红细胞体积的减小会降低血液的黏滞性，进而不影响血液的流动速度，保证机体氧气的运输。高原动物在长期适应低氧环境的过程中，其红细胞和血红蛋白存在不同的适应特征。如鼠兔[3]、驼类及斑头雁、安第斯雁，这些高原动物均以低血红蛋白浓度（Hb）、低红细胞压积（Hct）提供高氧亲和力。而野牦牛、家牦牛、藏绵羊和藏山羊的血液具有较高的红细胞数（RBC）和血红蛋白浓度（Hb）[4]。在对藏猪的研究中也发现，与普通猪相比，其平均红细胞体积（MCV）和平均红细胞血红蛋白浓度（MCHC）均偏低[5]。

已有研究经过检测了来源于青藏高原地区的藏犬以及中国大陆低海拔地区家犬的血红蛋白浓度，发现高海拔藏犬群体与低海拔家犬群体的平均血红蛋白浓度并无显著差异[6]。

4.2 对呼吸系统的影响

由于氧气压力较低，犬会因缺氧而过度换气、通气。在海平面安静状态下，成年犬呼吸数为10～15次/min，脉搏数为70～80 次/min，犬正常心率为70～120次/min[7]。同样体重的犬，每分钟需要吸入的空气量，海拔3000m时是平原的1.5倍，才能满足身体对氧气的需要，此时，犬会感到呼吸急促，如果加上运动，犬会通过增加呼吸频率来适应地低氧环境。

5 犬在高原低氧环境下适应性的遗传机制

氧是机体及细胞进行有效能量代谢不可缺少的物质，低氧使机体及细胞的生理发生改变，严重时可引起一系列的损伤和疾病。为适应低氧环境，生物经长期进化，已形成一套完整的氧感受机制及在不同氧化环境下的基因表达调控机制来适应低氧环境，达到生存目的。高原世居动物对低氧适应并不太依赖于器官功能的变化，更重要的是通过对细胞代谢的调整和许多抗低氧因子诱导从分子水平上来适应高原低氧环境。生物体对外界环境刺激作出反应，普通的机制是通过配体与受体结合，引发细胞内一系列生化级联反应，最后调控相关基因表达的升高或降低，机体和细胞对低氧信号的识别及对基因表达的调控也遵循这一机制[8]。其中低氧诱导因子（Hypoxia inducible factor，HIF）是广泛存在于人类与哺乳动物体内的一种非常重要的氧气调节因子，在低氧条件下，可以调控许多与低氧应答相关的基因表达[9]，促进机体对低氧环境的适应，是低氧应答的全局性调控因子。HIF 是由α亚基和β亚基组成的异源二聚体转录因子。α亚基共有3种亚单位，其中氧浓度主要通过对HIF1α和HIF2α的调节使其在低氧表达中扮演核心调控的作用[10]。在低氧状态下，α亚基和β亚基组合成二聚体形式并且转录HIF调控的下游基因[11]，使其在生理上产生适应性的变化。目前对犬的高原适应性研究是通过全基因组测序的方法，最终确定了EPAS1和HBB基因是在高原犬在低氧适应性方面起重要作用的候选功能基因。

5.1 EPAS1基因对高原适应性的影响

EPAS1基因（Endothelial PAS domain protein 1，内皮细胞含PAS结构域蛋白-1），在家犬中编码HIF2α蛋白，位于家犬第10号染色体Chr10：51，676，759-51，760，023，包含有个16外显子和15个内含子，全长103.27kb，共转录2607bp碱基，编码869个氨基酸。EPAS1为碱性螺旋-环-螺旋转录因子超家族成员，并且具有PSA结构域，EPAS1在低氧条件下对系统的低氧应答起到至关重要的作用，是主要的低氧诱导因子之一[12-14]。

EPAS1主要表达于肺、胎盘和血管内皮细胞，由编码的稳定性和转录活性由氧气进行调节作用。常氧状态下，位于HIF2α蛋白中的氧依赖降解结构域（oxygen dependent degradation domain，ODDD）与PHD蛋白（prolylhydroxylase domain，特定脯氨酸残基被脯氨酰羟化酶结构域蛋白）发生羟化，使得HIF2α蛋白发生泛素化，最终被蛋白水解酶降解，因此HIF2α蛋白在细胞中含量保持很低的状态。而当低氧时，PHD蛋白失去活性，ODDD结构域中的特定脯氨酸残基不能发生羟化，HIF2α蛋白因不能被水解而含量增多，从而进入细胞核促进相关应对低氧的基因转录表达[15]。

5.2 HBB基因对高原适应性的影响

血红蛋白β基因（Hemoglobinβ，HBB）又称β珠蛋白基因。在家犬基因组上位于Chr21：31，299，273-31，306，907，由个3外显子构成，全长7.57kb，共转录635bp碱基，编码147个氨基酸。HBB基因编码血红蛋白中的β多肽链，与血红素结合形成β -珠蛋白[16-18]。

在绝大多数的脊椎动物中，血红蛋白分子是由4个珠蛋白亚基装配组成。每个亚基则由一条肽链和一个亚铁血红素分子结合而成，肽链会以螺旋的形式盘旋成球形，将亚铁血红素分子结合在内将其环绕在内形成一个珠蛋白。HBB基因编码的肽链组成β珠蛋白是构成血红蛋白的重要组成因素。由于血红蛋白在氧气中运输起重要作用，结构变异会直接导致其氧亲和力变化，进而影响动物对低氧的适应。目前的研究认为HBB基因在功能上参与了氧从肺部输送交换至全身各器官的重要功能。具有高氧亲和力的血红蛋白是高原动物适应低氧环境的最重要的特征之一[19]。在一些高原物种上的研究发现，发生在血红蛋白链和链上的突变，会改变血红蛋白与氧气的亲和力，从而对高原上的动物对氧气的利用效率产生影响，这一例子已经在安第斯蜂鸟和高原鹿鼠上进行过研究报道[20-22]。

5.3 犬在高原低氧环境下适应性的遗传机制

王国栋[23]等对犬在青藏高原低氧环境下适应性的研究发现通过等量混合样品的全基因组重测序获得240万个SNP位点信息，再结合Fst检验、Fisher’s精确检验的严格筛选条件，最终有12个基因组区域的14个基因同时通过了两个检验的筛选成为中国大陆家犬中最有可能受到高原适应性正选择的基因。这其中内皮PAS结构域包含蛋白1基因（EPAS1基因）与血红蛋白β基因（HBB基因）中包含有非同义突变，并且显著性非常突出。为了进一步了解EPAS1基因的4个非同义突变等位基因频率的情况，进行了扩展实验，采集了61只只来自西藏的藏犬和149只来自低海拔地区的本地土狗进行SNP检测，结果显示位于EPAS1上的突变在藏犬中突变型等位基因频率为95%，而在低海拔土狗中这一数值仅为4.9%。这些结果显示EPAS1基因在青藏高原犬的高原适应性方面起到非常重要的作用。HBB基因的2个非同义突变等位基因频率在藏犬中为86.4%，在低海拔土狗中仅为17.5%，突变型等位基因同样表现出与高海拔群体的高度一致。

研究随后扩大采样地点和样本量，在中国大陆地区的连续海拔梯度上共采集了17个地点一共511只中国本地土狗的样本，这个地点遍布中国地区各省市，海拔梯度从海平面水平城市到青藏高原地区，覆盖包括了低海拔地区，代表如广州（海拔约50m、江西（约300m）、雅安（约600m）等，中等海拔地区如昆明（约1900m）、云南丽江（约2500m）、云南迪庆（约3400m）、甘肃甘南（约3600m）。以及高海拔地区如四川阿坝（约3700m）、青海玉树（约4000m）、香格里拉（约4100m），西藏（约4100m）等。使用测序的方法，对EPAS1和HBB上6非同义突变点进行了检测，对本地土狗进行等位基因频率的分析研究，这些突变位点的等位基因频率都呈现出随着采样地海拔的升高而上升的趋势，突变型等位基因频率与海拔呈现出极其显著的正相关性。进一步在群体水平上证明了EPAS1基因与HBB基因在家犬高原适应性中起到非常重要的作用，并受到了正选择的搭载效应的影响。

6 小结

高原低氧适应性的研究在生物学的各个领域，无论是从生理生化水平，遗传机制水平或者是从进化等角度，都是近期的热点研究问题。开展犬高原的低氧适应研究，可以为高原民族和高原动物、对前往高原地区的人员和动物的适应性和高原疾病研究提供生理和分子基础资料。另一方面可以为快速、准确选育既高产又耐低氧的优良品种寻找低氧分子标记，开展适应高原低氧环境的定向品种培育；同时对高原动物特色基因的保存和利用及高原畜牧业的发展具有重要意义。

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公安部科技强警基础工作（基础研究类）专项项目（2016GABJC38）

李静（1989—），女，内蒙古乌兰察布人，研究实习员，硕士，研究方向为警犬分子遗传育种。陈超（1974-），男，内蒙古赤峰人，副研究员，硕士，研究方向为警犬疾病防治研究。

陈方良（1977—），男，云南陆良人，副研究员，硕士，研究方向为警犬疾病防治研究。