鲸类渗透调节机制的研究：基于Na+，K+-ATP酶和水通道蛋白基因分析

动物的适应性进化（adaptive evolution）是进化生物学的核心问题。从陆地重返海洋，鲸类必须形成完善的渗透调节（osmoregulation）机制进行排盐保水才能稳定适应海洋生活。目前，鲸类渗透调节的分子机制尚不清楚。本项目拟选择渗透调节的关键基因Na+，K+-ATP酶 α1亚基和水通道蛋白（AQP1-4），以鲸类的代表性物种为研究对象，部分陆生哺乳动物作为对照，通过序列比较及生物信息学分析，探讨鲸类的这两种功能基因的外元序列是否具有特异的位点或者基序，评估这些特异位点与进化选择压力的关系，阐明特异位点适应性进化的意义，以期在分子水平上揭示鲸类渗透调节的适应性进化过程及其机制。

渗透调节是鲸类祖先从陆地重返高渗的海洋环境中面临的主要挑战，尽管先前研究已经鉴定出鲸类形成了保水排盐的诸多生理机制，但其遗传学基础尚不清楚。本项目分别从基因组水平和多个渗透调节相关基因在鲸类代表性物种中的克隆两个层面上较全面地揭示了这一科学问题。在基因组水平和我们测定的10个渗透调节相关基因中，共鉴定出9个渗透调节基因受正选择。鲸类AQP2/AQP8/AQP9 和SLC14A2基因检测到显著的正选择信号，提示鲸类通过增强对水和尿素的转运从而浓缩尿液来维持体内水平衡，Na+，K+-ATP酶β1和β4亚基中也鉴定出正选择信号，提示鲸类维持渗透调节重要的酶也产生了适应性改变。另外，在水盐平衡相关的激素调节基因中，ACE/AGT 基因（水盐调节RAAS系统中成员）和NPPA（心房利钠肽的编码基因）中鉴定了多个受正选择的位点，提示鲸类渗透调节相关的激素基因也产生了适应性改变。另外，受正选择位点的氨基酸发生的激进改变分布于鲸类的整个进化谱系中，提示鲸类从起源到快速辐射的进化历程中，普遍存在着渗透调节的适应性进化。本研究首次系统分析了鲸类渗透调节相关基因的分子进化，检测到鲸类9个显著受正选择的基因（AQP2/AQP8/AQP9，SLC14A2，ACE /AGT，NPPA，Na+，K+-ATP酶β1和β4亚基），提示鲸类已经进化出通过提高水、盐、尿素调节等高效的、复杂的渗透调节机制应对高渗的海洋环境。