基因是南极“防冻鱼”生存的秘密

2020-07-21 147鱼类

一项对生活在南极洲冰水中的鱼类进行的基因研究揭示了它在地球上最严酷的环境中生存的适应能力,基因是南极“防冻鱼”生存的秘密。对南极鱼类基因组的研究是第一个令人震惊的线索。

研究背景

有八科脊索鱼,其中五科栖息在南大洋,即环绕南极大陆的寒冷海洋。这些鱼能承受大多数鱼结冰的温度。它们在寒冷和富氧的极端环境中生存的能力是如此的非凡,以至于它们占了南大洋鱼类生物量的90%以上。

伊利诺伊大学动物生物学教授阿瑟·德弗里斯(Arthur DeVries)在20世纪60年代末发现,一些脊椎动物会制造自己的“抗冻蛋白”,这些蛋白质与血液中的冰晶结合,以防止鱼结冰。

研究内容

在这项新的研究中,美国理工大学动物生物学教授C.-H.ChristinaCheng和她在中国科学院的同事们寻求全面的遗传线索,以帮助解释南极脊椎动物是如何生存的。

“从来没有人真正研究过这些鱼类在这种长期寒冷的环境中所具有的重要的生物功能,”Cheng说这是第一个这样做的研究。”

Cheng和她的同事们想知道在南极脊椎动物的一个代表性物种disostichus mawsoni中,哪些基因被高水平表达(即翻译成蛋白质)。

他们分析了四种组织中的基因表达:大脑、肝脏、头肾(鱼类的主要造血器官)和卵巢。

“我们看到了这种非常特殊的情况,在这些组织中,高表达的蛋白质来自一小部分基因,”Cheng说每一个组织都会产生各种各样的转录物,即形成蛋白质的遗传信息,但我们发现,一小部分基因控制着转录过程。”

研究人员推断,在寒冷、富氧的环境中,任何能使这种鱼获得优势的蛋白质,都会在南极鱼类中高水平表达。但也有可能是特定组织只是表达了更多的特定蛋白质。

基因是南极“防冻鱼”生存的秘密

为了更好地了解马氏鱼体内“上调”的基因是否能提高其在南极的生存率,研究人员比较了马氏鱼和几种不相关的温水鱼的相同组织中的基因表达。他们发现,大多数在南极鱼类中高度表达的基因在温水鱼中没有升高。

当他们分析上调的基因时,研究人员发现其中许多基因编码的是对环境压力作出反应的蛋白质。有许多伴侣蛋白,例如“热休克蛋白”,可以保护其他蛋白质免受极端寒冷(或高温)等压力的损害。

其他被称为泛素的蛋白质在南极鱼类中也有较高水平的表达。泛素通过靶向受损蛋白质进行破坏,帮助维持细胞和组织的健康。

研究人员还发现,编码蛋白质的基因表达非常高,这些蛋白质可以清除细胞中的活性氧原子或分子,或减轻氧化性细胞损伤或细胞死亡。这些蛋白质帮助鱼类对抗富氧的南大洋中的氧化应激。(氧在冷水中更容易溶解,高含氧量会产生高活性的原子或分子,从而损害细胞和组织。)

“许多在南极鱼类中被上调的蛋白质与维持这些鱼类功能性蛋白质和细胞的完整性有关,”Cheng说。

研究人员还将南极鱼类的基因频率与它们的温水表兄妹(从未在冰水中生活过的脊椎动物)的基因频率进行了比较。他们发现,在南极鱼类中被上调的许多相同基因的数量也比它们在温暖水域的同类中数量更多。实际的基因已经被复制了,在南极鱼类的基因组中出现的频率比在温水里的同类多出3到300倍。

“这些基因在南极鱼类身上复制的数量越多,就越能促进转录,并提供更多所需的蛋白质功能,”Cheng说我们直接证实,相对于从未见过冷水的非南极近亲,这些基因确实在南极物种中高度重复。”

Cheng说,这些发现(基因是南极“防冻鱼”生存的秘密)可以帮助科学家了解全球气候变化将如何影响冷水鱼。

“如果水温急剧上升,我们不知道南极鱼类的适应能力如何,也不知道它们是否会灭绝,”Cheng说整个南极的食物都会受到严重影响。”

Cheng的实验室目前正在研究这种鱼对变暖的反应。

引用

University of Illinois at Urbana-Champaign. "Genes Hold Secret Of Survival Of Antarctic 'Antifreeze Fish'." ScienceDaily. ScienceDaily, 19 October 2008. www.sciencedaily.com/releases/2008/10/081016124049.htm.

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