低氧胁迫下低氧诱导因子（HIF-1α）对鱼类线粒体生物合成和功能的调控机制研究

Hypoxic environment can do great harm to the survival, development and reproduction of fish. Hypoxia-inducible factor 1 alpha (HIF-1α) is a transcription factor that plays a central role in response to hypoxic stress. The regulation of mitochondria biogenesis and oxidative phosphorylation reaction by HIF-1α has been comprehensively studied, but the mechanism is still not quite clear to us. Besides, two HIF-1α copies are found retained in cyprinid fish, which are thought to be closed related to the high hypoxia tolerance ability and wide distribution of cyprinid fish. However, it is not known whether there is any differences between the two copies toward mitochondria regulation. Based on previous research, in this study, we first want to further discuss the regulating mechanisms of HIF-1α toward mitochondria biogenesis and function by analyzing the mtDNA content, mitochondria biomass and the level of oxidative phosphorylation reaction regulated by HIF-1α, and the molecular mechanism of how HIF-1α regulates the transcription of mitochondria control region; then by using gene knockout and point mutation, we attempt to demonstrate functional differences of HIF-1αA and HIF-1αB of cyprinid fish in mitochondria regulation， bringing evidence to the high hypoxia tolerance ability and wide distribution of cyprinid fish.

低氧环境会对鱼类的生存、生长与生殖造成极其严重的影响。低氧诱导因子HIF-1α是生物体在低氧应答中起到关键作用的转录因子，其对线粒体生物合成和氧化磷酸化作用的调控已成为研究的热点，但其作用机制尚不十分明确。此外，鲤科鱼类保留了两个HIF-1α拷贝，被认为是鲤科鱼类普遍具有较强低氧耐受能力和广布性的基础。然而到目前为止尚无学者去研究两个拷贝是否存在功能上的差异。本研究拟在前期工作的基础上，首先通过研究HIF-1α对鱼类线粒体DNA含量、生物量和氧化磷酸化水平的影响，以及对线粒体控制区转录水平影响的分子机理，深入探讨在低氧胁迫下，HIF-1α对鱼类线粒体生物合成与功能的调控机制；进而利用基因敲除和点突变的手段，解读鲤科鱼类HIF-1αA和HIF-1αB在线粒体生物合成和功能调控中的功能差异，为鲤科鱼类较强的耐低氧能力和广布性提供分子证据。

低氧环境会对鱼类的生存、生长与生殖造成极其严重的影响。低氧诱导因子HIF-1α是生物体在低氧应答中起到关键作用的转录因子，其调控作用已成为研究的热点。鲤科鱼类保留了两个HIF-1α拷贝，被认为是鲤科鱼类普遍具有较强低氧耐受能力和广布性的基础，但其对线粒体生物合成和氧化磷酸化功能的调控作用尚不明确。本课题以斑马鱼和裂腹鱼代表种为研究对象，首次系统研究了鲤科鱼类HIF-1α的两个拷贝，HIF-1αA和HIF-1αB对线粒体生物合成和氧化磷酸化功能的调控作用。研究发现鲤科鱼类HIF-1αA和HIF-1αB均能够促进线粒体的生物合成，但在线粒体呼吸链复合物活性和相关基因表达的调控方面，HIF-1αA和HIF-1αB发生了功能分化，并且在斑马鱼和裂腹鱼之间存在显著性差异，而在不同特化等级的裂腹鱼之间也存在显著性差异，表明其与裂腹鱼的高原适应性进化密切相关。而进化分析也表明，裂腹鱼中部分低氧适应相关基因受到了强烈的正向选择。此外HIF-1αA能够通过调节细胞内Ca2+的浓度进而影响到线粒体的膜电位水平，同时还能够上调细胞中ROS水平，从而影响到线粒体的稳定性。上述研究结果为深入研究HIF-1α对线粒体动态平衡的调控以及高原鱼类的适应性进化提供了理论依据，部分结果发表在BMC Genomics杂志上。