撰稿：王秋萍 审校：沐远
低氧耐受是指生物体应对急性和慢性缺氧的适应能力，低氧耐受物种即为能够适应低氧环境（如水生、陆地高海拔或洞穴环境）的物种。对于哺乳动物而言，低氧耐受类群主要有水生和陆生两大类型，水生低氧耐受哺乳动物又分为半水生（如海豹）和完全水生（如鲸类）两类，而陆生低氧耐受哺乳动物则主要针对穴居（如鼹鼠）和世居高海拔（如牦牛）两类。为了适应低氧环境，这些类群已经演化出一系列独特的生理和生化特征来应对低氧造成的氧化应激损伤，包括增强的抗氧化酶活性和提高的血氧储存能力，而这些适应性变化主要通过调节与低氧环境适应相关的基因来实现。
尽管先前已有大量关于低氧进化机制的研究，但为处于不同环境的低氧耐受哺乳动物抗氧化酶系统的适应性进化提供进一步的分子证据，本研究通过构建了43种哺乳动物（包含低氧耐受和非低氧耐受动物）的7种关键抗氧化酶基因的数据集，包括过氧化氢酶基因（CAT）和三种超氧化物歧化酶基因（SOD1、SOD2、SOD3），以及三种谷胱甘肽过氧化物酶基因（GPX1、GPX2、GPX3），进行遗传进化分析。
图1 通过自由比率模型（矩形）和分枝位点模型（圆形）检测到正选择信号在进化谱系中的分布
树中的分支a-o用于检测趋同/平行的氨基酸替换位点。
研究结果表明，6个基因（CAT、SOD1、SOD2、SOD3、GPX1和GPX3）在适应低氧环境进程中表现出显著的进化速率差异。此外，我们还发现了低氧耐受和非低氧耐受物种，以及不同低氧耐受物种谱系间的进化速率存在差异，这表明低氧耐受哺乳动物抗氧化酶相关基因在适应不同的低氧环境过程中具有不同的进化格局。进一步分析发现大量的正选择位点发生于低氧耐受枝系上（图1），这表明这些基因在帮助哺乳动物适应低氧环境发挥了重要作用。
表1 低氧耐受物种中7个基因的65个平行/趋同氨基酸替换位点
研究还发现65个平行/趋同的氨基酸替换位点，这为低氧耐受性在哺乳动物中的趋同进化提供了分子层面的证据（表1）。
图2 平行/趋同氨基酸位点在蛋白三维结构上的分布注释
通过将平行/趋同位点映射到蛋白质的三维结构上，我们发现许多趋同/平行位点位于蛋白质结构的重要功能域上，这可能为抗氧化酶相关基因在低氧适应过程中发挥关键作用（图2）。
我们的研究结果进一步揭示了低氧耐受哺乳动物参与低氧适应的抗氧化酶相关基因的分子机制，并为未来的相关研究开辟了新的视角。
该研究成果于2024年4月25日以“Adaptive evolution of antioxidase-related genes in hypoxia-tolerant mammals”为题，发表在中科院三区期刊《Frontiers in Genetics》上，由大理大学本科生王秋萍在西华师范大学盖玉林老师、大理大学东喜玛拉雅研究院龚佑静老师和沐远老师的指导下完成，以及获得了大理大学本科生罗朝洋和许雄惠、滇西应用技术大学胡文娴老师的协助。该研究在云南省大学生创新创业训练计划平台项目（No. S202210679061）的资助下完成，以及获得了国家自然科学基金项目（NSFC）（No. 32360119）、大理大学高层次人才引进启动项目（No. KY1916101940）和云南省高校洱海流域生态环境质量检测工程研究中心（No. DXDGCZX03）等项目的支持。
