百人学者肖武汉最新文章解析低氧信号传导途径

　　低氧信号传导途径是从线虫到哺乳动物都十分保守的一个细胞信号传导途径系统，它对于维持后生动物的氧稳态至关重要。近期来自中国科学院水生生物研究所的“百人计划”肖武汉在总结低氧信号传导及其调控机制研究进展的基础上, 综述了鱼类低氧信号途径、低氧适应策略、低氧信号途径网络调控等方面研究的慨况。

　　大约25亿年前, 由于光合作用, 地球开始积累氧气. 尽管氧气对于许多厌氧生物是有毒的, 但是它促进了氧化磷酸化这一特殊、高效系统的演化. 这一系统可将储存在有机大分子碳键上的化学能转化为ATP 上的高能磷酸键, 为生物细胞的生理、生化反应提供有效的能量供给. 此外, 氧分子作为氧化磷酸化的最终电子受体, 除了是生物能量产生的必需因子外, 还是许多酶的直接底物, 它对于生物的正常生长、发育和繁殖不可或缺. 因此, 后生动物演化出复杂的细胞代谢和生理系统来维持氧稳态(oxygen homeostasis), 并发展出高效的信号传导系统来感受细胞内氧的变化. 一些重要的氧气感应信号途径主要通过激活转录或抑制翻译来提升对低氧的耐受能力。

　　低氧信号传导途径在动物界非常保守. 目前已知, 从线虫到人类, 低氧信号都启动结构相同或相似的同源基因转录和调控, 并激活类似的生理、生化反应. 与陆生环境相比, 水环境呈现出更为宽广的溶氧含量的时空变化, 因此, 与鸟类和哺乳类相比, 终生生活于水体的鱼类能适应更为宽广的氧环境. 由于在长期演化历程中受到不同浓度溶氧水体的自然选择, 鱼类形成了适应不同溶氧水环境的物种. 即使是在同一海拔高度水体分布的近缘物种间或同一物种的不同品系间, 它们对水体溶氧的适应力也存在显著差异. 此外, 对于分布于不同海拔高度水体的近缘物种间或不同品系间, 它们对水体溶氧适应能力的差异更大. 对于鱼类低氧适应机制的研究, 不仅在认识鱼类物种的分化以及低氧信号传导途径的系统演化和调控等方面具有十分重要的理论意义, 而且对于培育耐低氧鱼类新品种具有十分重要的实践意义.

　　在这篇文章中，作者在总结低氧信号传导及其调控机制研究进展的基础上, 综述了鱼类低氧信号途径、低氧适应策略、低氧信号途径网络调控等方面研究的慨况。

　　作者指出，与小鼠模型相比, 早年利用斑马鱼模型进行基因敲除一直存在很大困难, 因此, 对于鱼类与低氧适应相关基因的在体功能的研究非常欠缺, 对于它们的在体生物学功能还知之甚少. 近年来, 由于TALEN和CRISP/Cas9技术的建立和快速发展, 使得利用斑马鱼进行基因缺失研究变得较为便利. 因此, 在不久的将来, 应可获得大量鱼类低氧适应相关基因的在体生物学功能数据.

　　由于大水面水产养殖不同程度地造成水质污染, 在保护水生态环境的大前提下, 池塘精养、“工厂化”养殖等集约化养殖模式已成为水产业发展的根本出路. 通过增加养殖密度并提高单位面积的产量将成为确保水产养殖产量稳步提升、 并同时避免水环境污染的主要手段. 由于单位水体养殖密度和产量的提高, 不可避免地要求养殖品种的耐低氧能力相应提高.

　　为了培育耐低氧鱼类新品种, 必须首先阐明鱼类低氧适应和耐低氧的机制. 作者认为基本策略是:

　　(ⅰ) 可以通过比较基因组、转录组和蛋白质组技术, 对同一水体分布的不同耐低氧能力鱼类物种或品系, 或分布于不同溶氧水体的近缘鱼类物种或品系, 进行系统的比较组学分析；

　　(ⅱ) 选取代表性的低氧敏感鱼类物种或代表性的低氧耐受鱼类物种, 进行低氧暴露处理, 利用基因芯片、转录组测序和蛋白组学分析；

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　　(ⅲ) 利用生物信息学方法, 构建鱼类低氧适应或低氧耐受的基因调控网络, 鉴定关键节点基因；

　　(ⅳ) 利用基因功能的在体分析方法, 阐明这些关键节点基因的功能, 诠释它们对鱼类低氧耐受能力的贡献, 筛选出有效分子标记或低氧适应/耐受相关的关键变异；

　　(ⅴ) 在此基础上, 利用转基因技术或传统杂交技术, 培育耐低氧鱼类新品种.