地山雀血红蛋白高原低氧适应的分子机制

血红蛋白(hemoglobin, Hb)作为血液循环系统中氧气运输的主要载体,在动物高原低氧适应中发挥关键作用。本文结合基因组、转录物组、分子进化、同源建模和分子动力学计算等分析,探索了高原土著鸟类地山雀血氧亲和力升高的分子机制。结果表明,与大山雀相比(RPKM为0),胚胎特异表达ρ基因在地山雀成体肝中表达较高(RPKM为32.22),这可能使其血液中额外增加2种高氧亲和力的ρ型Hb,(αDρ)2和(αAρ)2;地山雀βA25G-A和βA55L-I两个突变,增加了B和D螺旋的范德华力,导致整个βA亚基变得更紧凑,引起αβ二聚体间氢键数量的明显减少,使T态到R态的转变过程易发;βA43A-S和βA44S-N两个突变改变了血红素口袋开口处的构象和极性,使得溶液更容易进出血红素口袋,有利于气体交换;βA90E-K突变受到强烈的正选择,该突变使βA型血红蛋白碱性增强,从而抵消波尔效应引起的血红蛋白氧亲和力降低。此外,地山雀αA44P-S和βA43A-S两个突变,可能使αA和βA型血红蛋白亲水性增加,有利于血红蛋白在红细胞内累积到较高的浓度。综上,胚胎型Hb基因的诱导表达、遗传基础改变引起的αA和βA型血红蛋白固有氧亲力及物理化学性质的变化,可能是地山雀血氧亲和力升高的主要因素。