南极冰鱼心血管发育和功能适应的分子进化研究

南极的notothenioid鱼类在长期低温和高氧的环境下，体内的血红细胞大大减少；在一些特化的南极冰鱼中，其血红蛋白和血红细胞相继消失，而心脏却比正常的鱼类大2倍以上，血管的体积和通透性也表现出与其特殊生境相关的结构性变异。南极鱼类为我们提供了研究心血管与环境之间相互关系的独特的研究体系。前期研究中，我们已通过转录组比较，发现了一些在南极环境下受到正选择的基因，其中有许多基因参与了心血管的适应。本项目中，我们将针对一种冰鱼和一种含有血红蛋白但处于相同生境下近缘物种的心脏和血管的转录组进行深度测序，揭示冰鱼心脏和血管中表达的基因种类和丰度，揭示受到正选择的基因，并在斑马鱼活体及细胞系中验证其适应和发育功能。本研究揭示南极冰鱼在失去血红蛋白后在心血管生理和结构上的补偿的分子和发育生物学机制，为研究人类心血管发育和相关疾病提供借鉴。

南极鱼亚目鱼类在适应极端低温环境的进化历程中，血液中多样化的血红蛋白随着进化历程逐渐丧失，到最近形成的南极冰鱼科(Channichthyidae)已完全缺失。在特化的南极冰鱼中，伴随着血红蛋白的消失，心脏出现补偿性增生，冰鱼的心脏比正常的鱼类大两倍以上。本项目以南极海域特有的血红蛋白缺失的独角雪冰鱼(Chionodraco hamatus)和处于相同生境下具有血红蛋白的两个近缘种, 尖头裸龙䲢(Gymnodraco acuticeps) 和伯氏肩孔南极鱼(Trematomus bernacchi)为研究对象，进行了头肾(血液发生主要组织)和心脏的转录组测序，以一个基因组测序已经完成的南极犬牙齿鱼(Dissostichus mawsoni)的蛋白质库为参考，获得了头肾、心脏的转录组表达谱，并实现了大规模的跨物种转录组比较。与具有血红蛋白的南极鱼相比，南极冰鱼头肾的基因表达程序出现大规模重建，红细胞发生过程被大大抑制，其他血细胞和血小板的发生被显著上调。同时发现决定血红细胞发生与分化的重要因子GATA1 和ALAS2在南极冰鱼头肾中蛋白表达极低。南极冰鱼与具有血红蛋白南极鱼的心脏转录组差异巨大，血细胞发生、氧化还原等生物学过程在冰鱼心脏中显著下降；心肌发育、脂肪酸合成代谢等生物学过程显著上调。本项目同时开展了南极冰鱼与具有血红蛋白近缘种的小分子RNA组的比较，并从中筛选出一系列与血红细胞发生、心脏增大调控相关的microRNAs。microRNAs在南极鱼的红细胞发生、心脏的增大过程中发挥着重要作用。利用构建的基因正选择分析的Pipeline，分析了包括南极冰鱼在内的四个南极鱼亚目物种中8000余个基因的进化速率，筛选出200多个在南极冰鱼中发生正选择的基因。对其中的一些正选择基因的适应性功能进行了研究，发现了一类新的能抑制冰晶生长的卵壳蛋白。基本完成了包括冰鱼在内的三个南极鱼亚目物种的基因组测序，揭示了长期低温下受到选择的基因和发育信号通路，发现冰鱼中血液相关基因的进化特别显著。本研究揭示了南极冰鱼血液与心脏补偿性发育的分子和发育生物学机制。南极冰鱼为研究微进化（因一个基因丢失）导致转录组网络的大规模重排后产生一个显著表型提供了极佳的系统，同时也可为心血管系统在极端寒冷环境下的适应进化研究提供了自然模型。