高原土生动物低氧适应机制研究进展

申　健(综述),牛廷献(审校)，史智勇

(兰州军区兰州总医院动物实验科，兰州 730050)



高原土生动物低氧适应机制研究进展

申健(综述),牛廷献※(审校)，史智勇

(兰州军区兰州总医院动物实验科，兰州 730050)

摘要：高原低氧适应是高原医学研究的核心，高原低氧适应的机制主要是围绕缺氧而建立起的一系列复杂的代偿。高原土生动物是研究高原低氧适应的理想模型，以藏猪、高原鼠兔、藏羚羊和蕨麻小型猪为例，研究者们多以其血液学特征、肺血管结构和功能及低氧适应相关基因等方面作为基础研究，但目前在细胞及分子水平研究不够深入，研究土生动物低氧适应机制，可以为高原实验动物的开发研究提供理论基础。

关键词:高原土生动物；高原医学；低氧适应机制

高原野生动物在低氧适应过程中，表现出特有的适应机制，成为高原低氧适应研究的理想模型。高原低氧机制适应研究是环境低氧适应领域的主导研究，也是今后医学相关研究的主要方向，因此众多研究人员选择高原土生动物作为研究对象，如藏猪(Tibetan pig)、高原鼠兔(Ochotona curzoniae)、藏羚羊(Tibetan antelope,Pantholops hodgsonii)和蕨麻小型猪(Juema minipig)等世居于海拔3000～6000 m的土生动物，对其展开了生理学、形态学和分子生物学等方面的研究。这些动物经过长期自然选择后，生理、生化和形态方面已具有能够适应高海拔缺氧环境的稳定遗传学特性。现对高原土生动物低氧适应机制研究进展进行综述。

1血液学的特征

红细胞和血红蛋白在生物体内负责氧气运输，以满足机体需氧量。红细胞增多时，由于其体积减小使血液的黏稠度降低，保持了血液的流速，以确保氧气的正常运输[1]。

1.1藏猪藏猪的平均红细胞容积和平均血红蛋白水平均低于普通猪[2]。其突出特点是血红蛋白与氧结合和释放的能力显著高于相应的平原物种[3]。

1.2高原鼠兔王晓君等[4]研究表明，高原鼠兔具有血红蛋白水平低、血细胞比容低、血氧利用率高的特征。不同海拔高度的高原鼠血细胞比容和血红蛋白的水平均显著低于生活在相同环境中的Wistar大鼠[5]。高原鼠兔的血细胞比容从2300～5000 m海拔高度仅增加了15.8%，而Wistar 大鼠血细胞比容的增加量是鼠兔的4倍左右[6]。为了避免影响组织的灌流，高原鼠兔可以通过此变化来防止血液黏稠度增加，同时，可以使血红蛋白携氧更多，这是其在血液方面已适应高原的一大特点。

1.3藏羚羊藏羚羊与高原鼠兔也有着相似的血液学特征，藏羚羊的血红蛋白水平和血细胞比容较海拔高度的土生动物明显降低[7]。与藏系绵羊相比，藏羚羊血液中的促皮质醇、促肾上腺皮质激素、肾上腺皮质激素释放激素和生长素释放激素水平明显升高，但藏系绵羊血液中的雌二醇水平显著低于藏羚羊，说明如果红细胞增加过多，藏羚羊就能通过分泌雌二醇来抑制，而且血液中血红蛋白水平也可以通过分泌雌二醇来保持其处于适当水平以防止血液黏稠度的增加，血液黏稠度过高会阻碍血液中氧气的运输[8]。这是藏羚羊在高原恶劣的环境下运动、耐受能力强的重要原因。

1.4蕨麻小型猪蕨麻小型猪又称合作猪、山地猪，生长于青藏高原甘南藏族自治州的合作地区，是典型的高原小型猪种之一[9]。本课题组对同一批高原蕨麻小型猪，分别在高原(海拔3500 m)和在亚高原地区(兰州，海拔1500 m)饲养 3个月和6个月后采集血样，进行了生理生化测定。结果表明，在亚高原饲养3个月后，白细胞、红细胞数目、血红蛋白和血细胞比容水平显著低于高原地区，平均血红蛋白水平显著下降。而红细胞分布宽度显著升高；在亚高原地区饲养6个月后，血细胞比容、平均红细胞容积和红细胞分布宽度极显著降低，白细胞和平均红细胞血红蛋白量有所降低。红细胞、血红蛋白和血细胞比容低于高原地区的原因可能是在亚高原缺氧有所缓解，在缺氧环境下红细胞代偿性增加，通过增殖以及合成血红蛋白来提高携氧能力，以适应高海拔缺氧环境，血红蛋白水平越高对氧的亲和力越高，则机体缺氧耐受力越高。红细胞压、红细胞容积的降低使血液黏稠度不致过高，有利于血液循环畅通，减轻心脏负担。这对于蕨麻小型猪的高原适应机制提供了重要的血液学依据[10]。

2肺血管结构和功能的变化

低氧对动物最显著的影响是引起肺动脉压升高。低氧性肺动脉高压特点之一是肺小动脉壁平滑肌细胞的异常增生和肺血管收缩反应增强。肺小动脉压力的增高可以改善通气血流的匹配，从而减轻低氧血症，这是一个重要的适应机制[11]。

2.1藏猪藏猪经常生活在高原缺氧的环境中，其呼吸系统组织学有其独特的一面。藏猪肺支气管周围无炎性细胞浸润，肺泡腔内尘细胞极少，肺泡壁和肺间质血管较丰富。呼吸系统表现出高原动物组织学特点[12]，这种特点对今后藏猪实验所涉及的组织学判断有重要参考价值。

2.2高原鼠兔在长期低氧环境下，肺血管结构和功能的变化是高原鼠兔适应低氧环境的重要机制之一。高原鼠兔平滑肌及肺血管内皮细胞在长期低氧环境下无低氧性损伤并维持一氧化氮正常释放[13]，这对维持肺血管的低张力起到了重要作用。

2.3藏羚羊张先钧等[14]在通过对藏羚羊肺部光镜结构进行观察后研究表明，藏羚羊肺内，高倍镜下小支气管的黏膜上皮为假复层纤毛柱状上皮，杯状细胞明显，纤毛清晰可见[15]。部分小支气管的外膜中，存在一层完整的、较厚的纵行平滑肌层，透明软骨明显，这说明了藏羚羊在低氧环境下，形成了通过改变细胞、组织结构来主动适应高原环境及繁衍的生存机制。与藏系绵羊比较，藏羚羊肺通气能力、心脏泵血功能以及能量代谢方面的低氧适应能力明显较强，动脉血氧饱和度、心室壁厚度、肺Ⅱ型细胞含量、肺通气储备能力、肌肉组织中线粒体含量明显较高[16]。

3高原低氧适应相关基因研究

近年来，高原土生动物低氧适应机制的分子生物学研究已成为高原医学研究的热点，主要研究了低氧相关基因的克隆与表达及其低氧调控机制。促红细胞生成素(erythropoietin,EPO)、低氧诱导因子1(hypoxia inducible factor 1,HIF-1)和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)是几个具有代表性的低氧适应相关基因。

EPO基因在机体供氧不足的情况下，红细胞数增多，信使RNA表达水平明显增加[1]。HIF-1由氧调节亚基HIF-1α和结构亚基HIF-1β组成[17]，可以诱导众多抗低氧基因的表达，参与细胞内氧平衡状态的调节，其在低氧适应机制中发挥着至关重要的作用。HIF-1α是调节HIF-1活性的功能亚单位。研究结果表明，高原土生动物HIF-1α在各组织中的表达量普遍高于低海拔对照组，并表现出显著的组织差异性[16]。刘芳[16]研究证明，在肺、心肌、骨骼肌组织中，藏羚羊HIF-1α蛋白的表达量要比藏系绵羊与平原绵羊呈明显增高趋势，这与高原鼠兔、牦牛等相一致。因此可以推断，HIF-1α组织的特异性表达有可能是这些动物适应高原高海拔环境的分子基础。杨曦明等[18]证实，VEGF表达量的水平与高原肺水肿的发病及高原习服密切相关。研究表明，EPO及VEGF等多种基因的表达与毛细血管增生的机制有紧密的关联。目前已知EPO和VEGF均为HIF-1的下游调控基因。Detmar等[19]发现，低氧可上调EPO、VEGF基因表达的水平，在恢复供氧时，又恢复到正常水平。韩树鑫等[20]在对藏猪的研究中发现，与低海拔地区的猪相比较，藏猪EPO基因的表达量明显较高。EPO基因的低氧特异性高表达可能是藏猪低氧适应的分子基础之一[1]。本课题组对高原蕨麻小型猪与长白猪低氧相关基因VEGF、EPO及HIF-1α进行了比较，结果表明，其表达量表现出组织差异性。高原蕨麻小型猪VEGF和HIF-1α在肺、肾中的表达量明显高于兰州地区长白猪；EPO只在肺中高于兰州地区长白猪。

另外，跨膜丝氨酸蛋白酶6基因在机体的铁代谢调节中具有重要作用。研究发现，跨膜丝氨酸蛋白酶6基因存在低氧结合位点，受低氧和HIF-1α的上调，其表达与血红蛋白和红细胞有一定的相关性，并且受到HIF-1的调控[1]。因此，它在高原动物的低氧适应过程中起到一定的作用，成为研究高原低氧适应机子的候选基因。

4结语

鉴于目前对高原土生动物低氧适应机制的研究不够深入的状况，研究者们应对多种高原土生动物利用现代分子生物学的方法，在细胞及分子水平上深入研究，积极发挥丰富的资源优势，发掘其高原特性及低氧适应的详细机制，为开发研究具有高原特性的实验动物提供基础理论依据，这将对人类高原疾病的防治研究有着重要的指导意义。相信随着研究的一步深入，将发现更多低氧相关基因及其作用机制，进一步揭示高原低氧适应的遗传学特征，为高原医学的发展提供理论依据。

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Advances in Research on Hypoxia Adaptation Mechanisms of Native Plateau AnimalsSHENJian,NIUTing-xian,SHIZhi-yong. (DepartmentofAnimalExperiment,LanzhouGeneralHospitalofPLA,Lanzhou730050,China)

Abstract:Plateau hypoxia adaptation is the core of the plateau medical research,the mechanism of which is mainly a series of complex compensatory established around the hypoxia.Native plateau animals are ideal models of plateau hypoxia adaptation research.Based on the Tibetan pig,plateau pika,the Tibetan antelope and Juema minipig,researchers conducted basic research on their characteristics of hematology,pulmonary vascular structure and function,hypoxia adaptation related genes,etc.,but there is not enough research on the cellular and molecular level.Research on native plateau animals of hypoxia adaptation mechanisms can provide theoretical basis for the study and development of the plateau experimental animals.

Key words：Native plateau animals; Plateau medicine; Hypoxia adaptation mechanism

收稿日期：2015-01-04修回日期：2015-04-17编辑：相丹峰

基金项目：甘肃省自然科学基金(1308RJZA178)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.21.004

中图分类号：R332

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)21-3850-03