高原鼠兔对极端低氧环境的生理、行为和分子生物学适应研究进展

齐丽红 邹登朗 祁得胜 刘忠浩 马建滨 都玉蓉

(青海师范大学生命科学学院，青海省青藏高原生物多样性形成机制与综合利用重点实验室，青海省青藏高原药用动植物资源重点实验室，西宁，810008)

在高原环境中，随着海拔的升高，氧浓度随之降低。当人类从平原进入高原环境时，高海拔迫使人体降低动脉血氧分压和血氧饱和度，最终导致组织和器官缺氧。反过来，出现急性高海拔缺氧或轻度高原反应，都会影响体内物质的代谢并阻碍正常的身体功能，可能导致高海拔肺水肿(high altitude pulmonary edema，HAPE)和高海拔脑水肿(high altitude cerebraledema，HACE)，而慢性高海拔缺氧会导致红细胞增多症和心血管疾病[1]。据统计，在海拔3 000～5 000 m时，氧气体积分数仅为平原的60%，此时会使机体处于缺氧状态。当处于缺氧状态时，机体会产生一系列复杂的生理变化来适应缺氧[2]。低氧适应是机体应对极端环境的保护性机制，指生物体进入低氧环境后，通过自身调节，最终达到一种新的动态平衡的过程[3]。青藏高原具有十分独特的气候和地理环境，如缺氧、寒冷、强紫外线等，而低氧是高原最明显的气候特征，对动物的生存有着深远的影响。经过长期的进化适应，许多高原土著动物已经形成了自己独特的适应高原环境的机制[4]。

高原鼠兔(Ochotonacurzoniae)属兔形目(Lagomorpha)，鼠兔科(Ochotonidae)，鼠兔属，是生活在青藏高原海拔3 000～5 000 m的特有种[5]。高原缺氧是青藏高原明显的非生物胁迫源，研究发现，青藏高原高海拔地区动物已经发展出独特的心血管、血液和呼吸系统，以确保适应恶劣的环境[6]。在许多高原哺乳动物中，通过增加微血管密度、增加红细胞数目和减弱低氧性肺血管收缩反应来适应高原缺氧[7-8]。笔者在马兰等[9]对高原鼠兔低氧基因研究的基础上，对高原鼠兔低氧适应的生理机制和分子机制进行了进一步阐述。

1 生理学适应

在长期的进化过程中，高原鼠兔的组织器官为适应低氧环境而产生了一系列的变化。鼠兔的肺组织中毛细血管丰富，血管壁薄，有利于气体交换，保证机体的正常需氧量。在低氧环境中，鼠兔的心脏不会出现肥厚现象，避免了长期低氧对心脏的损伤。

1.1 血液学特征

高原鼠兔因长期在高原环境下生存，能够很好地适应低氧环境。在血液学方面，表现为血液与血红蛋白(hemoglobin，Hb)的结合、释放氧的能力较高，这对低氧时体内氧的传递是有利的。有研究表明，高原鼠兔在低氧条件下的适应表现为氧解离曲线(oxygen dissociation curve，ODC)左移，即血红蛋白与氧结合能力增强，而氧解离曲线中段较陡的部分可以说明它有利于氧在肺部的运输与释放，便于组织脏器获取更多的氧[10]。P50值变小、红细胞氧解离能力增强。高原鼠兔红细胞的共同特征是低血红蛋白、低血细胞比容(hematocrit，HT)和低平均红细胞体积(mean corpuscular volume，MCV)，这一特征使得高原鼠兔血液在肺部进行气体交换的红细胞的表面积增大，利于红细胞携氧运输。血液中的HT和MCV降低时，对血液黏度、血液循环阻力都有舒缓作用[11-13]。研究发现，高原鼠兔的动脉血与静脉血的血氧饱和度差显著高于SD大鼠，表明高原鼠兔的血氧利用率更高[10]。

1.2 肺组织

高原鼠兔肺泡内有大量的弹性纤维[14]，并有由内皮细胞组成的丰富毛细血管，且管壁薄。鼠兔的肺小动脉壁缺少平滑肌层而变得非常薄，直径100 μm以内的肺小动脉壁仅由一层弹力纤维组成[15]。薄的肺小动脉壁有利于在低氧条件下进行气体交换，使更多的氧进入肺部，从而保证其在低氧环境中处于正常氧状态，更好地适应低氧环境。

1.3 心脏

人类和动物长期处在高海拔环境中会导致适应性的心肺变化，以维持缺氧条件下组织的氧气输送。人类在适应高原环境过程中，会通过心房起搏增加最大心率(maximal heart rate，HRmax)，这会使β-肾上腺素能受体脱敏，长期缺氧的大鼠心肌β-肾上腺素受体的密度会降低。因此，一种可能的低氧适应机制是β-肾上腺素能受体脱敏反应，以降低最大心率而对心脏缺氧进行保护[16]。高原鼠兔通过抑制肾上腺素基因的表达，来降低肾上腺素的浓度，从而降低心脏的工作速度，避免长期低氧对心脏的损伤，从而更好地适应低氧环境。且高原鼠兔长期适应低氧环境显示出更高的血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)mRNA表达，表明其通过VEGF途径促进心脏血管生成[17]。

2 行为学适应

高原鼠兔在不同的低氧环境下存在不同的繁殖对策，说明高原鼠兔在长期的低氧进化过程中产生了繁殖上的适应。有研究发现，高原鼠兔在不同的海拔高度下的繁殖对策存在显著差异。处于低海拔地区的高原鼠兔每年繁殖2～3次，胎仔数为(4.5±0.1)，在气温回升的暖季月平均存活率为23.4%～28.6%[18]；处于高海拔地区的高原鼠兔每年繁殖1～2次，胎仔数为(3.2±0.1)，暖季月平均存活率为33.5%～50.3%[19-20]。海拔越高，氧气越稀薄，温度越低，食物越少。为了减少自身消耗，更好地适应高海拔环境，高原鼠兔在高海拔地区的繁殖次数明显减少。同时，为了提高种群密度，高原鼠兔通过增加胎仔数和存活率来更好地适应低氧、低温、食物少的环境。

3 分子生物学适应

3.1 血管生成

VEGF广泛存在于动物体的各个组织中，在血管生成、血管重塑、组织缺氧过程中发挥着重要作用。VEGF是内皮细胞上的一种特异性结合蛋白，是调节细胞和血管的关键因子。研究发现，VEGF是唯一能诱导血管特异性生成的蛋白[21]。VEGF具有降低动脉压的作用，低氧刺激下可使体内VEGF表达量增高，促进血管内皮细胞增殖和新血管的生成，同时使血管通透性增加，使更多的氧气进入组织。VEGF还可以增加心率和心输出量，但VEGF的表达不会对心肌力收缩产生影响，却可以通过增加血管通透性来降低血管外周阻力[22-23]。VEGF165和VEGF189在高原鼠兔体内显示出组织和海拔的特异性表达模式。对高原鼠兔的VEGF165和VEGF189亚型克隆分析，发现VEGF165和VEGF189通过不同的机制参与了鼠兔脑和肌肉对缺氧的适应，且VEGF189在鼠兔脑和肌肉中的表达高于VEGF165。此外，鼠兔大脑、肌肉和肺中的VEGE189水平还与其栖息地的海拔高度相关[24]。VEGF在高原鼠兔中有不同的表达模式，进一步表明VEGF在高原鼠兔低氧适应中的重要作用。

一氧化氮(NO)是一种有效的血管舒张剂，在预防缺氧性肺动脉高压中起重要作用。NO由L-精氨酸的一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)合成[25-26]，可通过增加胞浆内环鸟苷酸(cyclic guanosine monophosphate，cGMP)水平，进而启动细胞内一系列蛋白的磷酸化反应，实现对肺循环基础张力和血流量的调节。高海拔地区的动物诱生型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)转录水平显著降低。在高原鼠兔体内iNOS的表达和NO的产生均受到抑制，高原鼠兔体内NO浓度的降低可能对高原鼠兔在低氧环境中的生存起着重要作用。

3.2 能量代谢

缺氧诱导因子-1(hypoxia-inducible factor-1，HIF-1)是由HIF-1α和HIF-β组成的转录因子，在细胞对缺氧反应的信号转导中起重要作用。HIF-1是一种在大多数细胞中表达的转录因子，在氧感应和传导中起关键作用。HIF-1的α亚基是一个功能部位。研究发现，HIF-1α在正常氧气条件下被泛素化和蛋白酶体降解，而在缺氧条件下降解途径被阻断，使HIF-1α积聚并迁移到细胞核。谢惠春等[27]研究表明，在缺氧环境中，HIF-1α通过调节骨骼肌中VEGF的表达来调节血管功能和提高血流量。也有研究表明在缺氧环境下，细胞中HIF-1可诱导VEGF的表达，促进血管生成[28]。新生的血管增加缺氧部分的血液供应，以缓解组织细胞的缺氧情况[29]。研究表明，HIF-1α在高原鼠兔脑和肾中的表达较高，进一步表明HIF-1对高原鼠兔在缺氧条件下生存适应的重要作用[30]。

精子特异性乳酸脱氢酶-C4(sperm-specific lactate dehydrogenase，LDH-C4)基因，最早被发现在睾丸和精子中表达。LDH-C4是乳酸脱氢酶(LDH)同工酶之一。LDH-C4对丙酮酸的亲和力高于乳酸，并催化人类和其他物种精液中丙酮酸转化为乳酸，促进糖酵解继续产生三磷酸腺苷(adenosine-5′-triphosadenine，ATP)。利用精子特异性乳酸脱氢酶的特异性抑制剂(N-isopropyl oxamate)证明，LDH-C4具有增强鼠兔的短跑能力，对高原鼠兔适应高原缺氧环境具有重要作用[22]。研究表明，LDH-C在高原鼠兔骨骼肌中有利于丙酮酸转化为乳酸，加速厌氧糖酵解生成ATP[26，31]。LDH-C在高原鼠兔骨骼肌中的表达增加了高原鼠兔的无氧糖酵解，减少对氧的消耗，增强了对高原缺氧环境的适应能力[28]。

细胞色素c氧化酶(cytochromecoxidase，COX)是线粒体氧化能力的关键调节蛋白[32]。早期研究发现，呼吸链在真核生物的冷信号和缺氧信号中都有作用[33]。当哺乳动物细胞暴露在氧气浓度降低的环境中时，会发生氧化应激反应，导致活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)的产生和超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase1，SOD 1)的表达增加。线粒体产生的ROS可以稳定HIF-1α[34]。细胞色素c氧化酶通过蛋白质硝基化途径诱导核缺氧基因的表达[35]。通过比较高原鼠兔和北美鼠兔(Ochotonaprinceps)发现，高原鼠兔在Cox1和Cox2中氨基酸序列发生变化，在Cox1跨膜区域Ⅻ的452号位点，高原鼠兔存在苏氨酸残基，而北美鼠兔为蛋氨酸残基。在Cox2的N端的5号位点，高原鼠兔的丝氨酸突变为苯丙氨酸，这些氨基酸的替代可能是对低氧环境适应的重要因素。同时，这些变化可以解释线粒体基因组介导的细胞色素c氧化酶亚基修饰，这种修饰可增强缺氧时的线粒体呼吸，并有助于HIF-1调节复杂的Ⅳ亚基交换[36]。

3.3 携氧蛋白

血红蛋白具有储存运输氧气的功能，是组成递氧系统的主要蛋白[37]。低氧是高原地区的主要特点，当生物处于低氧环境时，体内红细胞中血红蛋白增加，同时血红蛋白与氧结合形成氧合血红蛋白，增加与氧的亲和力[38]。研究表明，高原鼠兔在不降低血氧饱和度的情况下，通过消除缺氧血管收缩驱动力，适应低压缺氧。高原鼠兔与人类血红蛋白A的氨基酸序列比对，在高原鼠兔β氨基酸序列链中检测到23种变异，α111和β115处最重要的氨基酸残基(在人类血红蛋白中形成α1β1接触)发生了改变。这表明α1β1界面的氢键可能受到破坏，导致配体结合的构象接触改变，从而影响血红蛋白与氧结合的能力[39]。

脑红蛋白(neuroglobin，NGB)是主要在脑中表达的第3类携氧珠蛋白，参与氧代谢、为细胞供氧供能，可以直接或间接促进氧扩散进入线粒体，在微氧环境下，NGB可作为NADH氧化酶，在糖酵解过程中加速ATP生成，维持细胞正常功能[40]。NGB作为一种感受器，可以感知环境中氧气的浓度变化，当环境中氧气浓度降低时，相关的信号传导通路会上调NGB的表达来避免缺氧损伤，从而使机体可以在不同的氧气浓度下生存。组织对低氧的耐受性可通过内源性保护因子NGB储氧供氧来实现。研究发现鼠兔大脑皮层中NGB表达相对较高，在睾丸和肾上腺中也发现NGB具有较高的表达，由此可以推测NGB在其他组织也可以表达[41]。通过克隆高原鼠兔NGB基因，发现NGB mRNA定位于高原鼠兔的神经元，神经元突触之间发现大量的NGB表达，毛细血管周围也有较多的NGB表达，表明在高原缺氧条件下NGB基因可能通过介导神经信号的传导来适应缺氧环境。

4 结语与展望

高原低氧适应是高原医学研究的核心内容，高原鼠兔长年生活在高海拔、高寒地区，形成了一系列复杂的代偿机制，具有很强的低氧适应能力。研究人员对高原鼠兔的肺组织、心脏组织和血液中的血红蛋白有了一定程度的认识，并取得了一系列成果，但对高原鼠兔低氧适应的研究仍处于发展阶段。高原鼠兔全基因组测序工作至关重要，这对研究高原鼠兔低氧适应相关基因具有重要意义。今后，希望可以获得高原鼠兔的全基因组数据或通过三代测序得到较为准确的转录组数据，通过对高原鼠兔低氧适应功能基因和信号通路的研究，寻找诱发高原病的靶基因，为高原病的预防和治疗提供依据。