山雀科鸟类肌红蛋白结构与功能沿海拔梯度的变化

Hypoxia is one of the most prominent characteristics of the Qinghai-Tibet Plateau. Native species in the Qinghai-Tibet Plateau can maintain normal physiological and metabolic balance in the hypoxic environment, and their hypoxic adaptability is a research hotspot at present. Myoglobin is an oxygen transporter with oxygen storage function. The hypoxic adaptation of myoglobin is mostly focused on other vertebrates, and few studies on birds. Birds have stronger metabolic rate and hypoxic tolerance, so it is important to study the hypoxic adaptability of myoglobin in birds. In this study, Pseudopodoces humilis of the Qinghai-Tibet Plateau was studied and compared with Parus venustulus, Parus major at middle and low altitudes. We will study the background expression at the levels of mRNA and protein of myoglobin in myocardium and skeletal muscle, the surface charge of myoglobin and the sequence of amino acid at different altitudes. We will solve the myoglobin 3D structure of p. humilis, and the contribution of differential amino acids to hypoxic adaptation will be studied. .This study is the first time to systematically study the changes of myoglobin structure and function along the elevation gradient of the paridae birds from various levels, and to elucidate the hypoxic adaptation mechanism of the paridae birds. The results are of great significance to the study of adaptive evolutionary strategies of Tibetan Plateau animals to hypoxic environment.

低氧是青藏高原最显著的特征之一。栖息于青藏高原的动物可保持正常的生理和代谢平衡，其低氧适应性是目前研究热点。肌红蛋白是有氧储存功能的氧转运载体，其低氧适应性研究多集中于其它脊椎动物，少见于鸟类。鸟类较其它类群具有更强的新陈代谢率和低氧耐受性，因此研究鸟类肌红蛋白的低氧适应性具有重要的意义。本研究以青藏高原地山雀、中海拔黄腹山雀和低海拔大山雀为研究对象，系统研究梯度海拔山雀科鸟类心肌和骨骼肌中肌红蛋白转录和翻译水平差异，肌红蛋白表面电荷、氨基酸序列及携氧能力差异。对地山雀肌红蛋白进行三维立体结构解析，并以此建模，研究差异氨基酸对低氧适应性的贡献。本研究首次系统的从各个层面研究山雀科鸟类肌红蛋白结构和功能沿海拔梯度的变化，阐明山雀科鸟类肌红蛋白低氧适应性机制，结果对研究青藏高原动物对低氧环境的适应性进化策略具有重要的意义。

青藏高原常被称为“第三极区”，平均海拔4500米，低氧是其环境主要特征之一，高原动物如何协调机体的生理状态适应低氧环境，维持其自身氧稳态是近年来的研究热点，而携氧球蛋白家族，作为氧气的传递和储存者，在动物低氧适应上起到相当重要的作用，但大多研究关注于哺乳动物的低氧适应特征，以鸟类为研究对象的研究较少，其中以鸟类血红蛋白低氧适应性研究居多，而肌红蛋白低氧适应性研究较少。. 首先，以石家庄大山雀（海拔80 m）与青海地山雀（海拔3230 m）肌红蛋白为研究对象，发现其有两个氨基酸位点差异：E27A和F149L。通过构建质粒、蛋白表达纯化、晶体筛选优化和X-射线衍射等方法完成对青海地山雀肌红蛋白三维结构的解析，该结构为第一个鸟类肌红蛋白的三维结构，其含有典型的8个α螺旋结构。地山雀肌红蛋白第27位氨基酸的取代影响了其表面电荷的分布，地山雀27位和149位取代使蛋白质稳定性增加了约1.04 kcal/mol和1.06 kcal/mol。研究表明，地山雀通过改善表面电荷和蛋白质稳定性来适应缺氧的环境。. 同时，对有颌脊椎动物肌红蛋白的氨基酸序列结构、表面电荷、折叠稳定性等方面进行系统发育分析，发现其在不同类群演化的过程中，低氧胁迫促进肌红蛋白的稳定性升高。潜水鸟类在低氧环境的驱动下，其肌红蛋白加速进化，且在分子水平发生了与潜水哺乳动物趋同的适应性进化。在鸟类几对高低海拔成对物种的比较中，发现高海拔物种相比于低海拔近缘物种，肌红蛋白在不同位点发生氨基酸的替换，这些替换普遍提高了肌红蛋白表面电荷和稳定性。. 通过比较发现肌红蛋白变化位点呈现更有利于提高表面电荷和折叠稳定性的规律，有助于揭示Mb协助动物体适应高海拔持续低氧环境的分子机制。