高原动物范文

2024-09-15

高原动物范文（精选4篇）

高原动物第1篇

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

DY-2型动物低压舱(航空医学研究所),NOS试剂盒(南京建成生物有限公司),ET-1试剂盒(sunbio有限公司),OLYM PUS光学显微镜(CX31RTSF型),电子天平(上海良平FA1004)。

1.2 动物分组及模型制备

30只健康雄性Wistar大鼠,体重(200±20)g,购自军事医学科学院动物中心。随机分为3组:地面对照组(C组),24 h低氧组(H1组),48 h低氧组(H2组),每组10只。地面对照组在常温下饲养,H1组及H2组分别置于模拟海拔6 000 m高原环境的低压舱中,低氧舱内高度以10 m/s的速度匀速上升到海拨6000m水平(大气压为354mm Hg,氧分压为74mm Hg)(1 mm Hg=0.133 k Pa),其间动物自由进水及食物,分别持续24 h及48 h,再以10 m/s的速度匀速下降到平原高度(大气压为760 mm Hg,氧分压为159 mm Hg)。

1.3 标本处理

各组大鼠于出舱后马上行5%水合氯醛腹腔注射麻醉(0.6 ml/100 g),断头放血法处死后分离肺组织,取左肺用于肺湿干比值的测定,取右肺上中叶置于液氮中,-80℃冰箱保存,用于NOS、ET-1的测定,右肺下叶用4%甲醛固定,用于HE染色。

1.4 肺病理学评分标准

取右肺下叶,福尔马林保存,常规HE染色,OLYMPUS光学显微镜观察、摄片。参照文献[2]方法进行肺病理评分,具体评分标准如下:(1)肺间质水肿或肺泡水肿;(2)肺出血。上述两项分别划分为无占整个视野、占整个视野的25%、占整个视野的50%、占整个视野的75%、占整个全视野五个等级,分别计为0、1、2、3、4分,在×200高倍镜下随机选定1个视野,观察上述表现,为该动物的病理评分。

1.5 肺湿干比、肺NOS、ET-1的测定

取大鼠左肺称湿重后,置烤箱(80℃,48 h)烤至恒重,称干质量,计算湿干比值[3]。右肺中上叶相同部位肺组织加入9倍体积的生理盐水,制成10%的肺组织匀浆,2 000 r/min离心10 min取上清液,-80℃保存,肺组织中NOS、ET-1的检测按说明书进行。

1.6 统计学分析

采用SPSS 11.0软件进行分析,数据均采用均数±标准差(x±s)表示,多组之间比较采用单因素方差分析,组间差异比较用q检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 肺湿干比及肺组织内NOS、ET-1的变化

与C组相比,H1组与H2组的肺湿干比及肺组织匀浆内ET-1升高,差异有统计学意义(P<0.05),肺组织匀浆内NOS降低,差异有统计学意义(P<0.05);较H1组相比,H2组肺湿干比及肺组织匀浆内ET-1显著升高,差异有统计学意义(P<0.05),肺组织匀浆内NOS降低,差异有统计学意义(P<0.05)。见表1。

注:与C组比较,*P<0.05;与H1组比较,#P<0.05

2.2 肺组织病理形态学改变

光镜下C组大鼠肺组织结构完整,肺泡腔清晰,无肺水肿表现。H1、H2组均表现为不同程度的肺泡间隔增宽、肺间质水肿、肺泡出血,以H2最严重。按照病理学评分标准,本研究组织学评分结果显示,H1与H2组大鼠水肿与出血积分明显高于C组,差异有统计学意义(P<0.05),而H2组积分又高于H1组,差异有统计学意义(P<0.05)。见表2。

注:与C组比较,*P<0.05;与H1组比较,#P<0.05

3 讨论

高原肺水肿是高原地区的一种常见病,目前认为高原低压低氧是高原肺水肿发生的首要致病因素与发病诱因。目前,HAPE动物模型尚未成熟,国内外创建高原肺水肿动物模型方法各异,给研究带来不便,Kleinsasser A等[4]使猪暴露在常压10%氧气48 h,发现了表现为肺泡灌洗液蛋白浓度升高等早期肺水肿的表现,少数动物出现X线胸片的改变,但缺少病理学结果。也有人用兔、狗、羊及雪貂用做高原肺水肿动物模型,但实验结果既无一致性又无重复性。大鼠是国内外学者使用最多的高原肺水肿模型,JOHN T.BERG[5]使SD大鼠曝露于380 mm Hg的压力下(相当于海拨高度5 500 m的大气压力)24 h,发现大鼠出现表现早期肺水肿。国内学者李福祥[6]等使Wistar大鼠暴露于海拔6 000 m高度24 h,发现肺泡隔增宽,肺间质疏松,毛细血管扩张充血等大鼠肺水肿的病理学改变。C.Bai[2]等使大鼠暴露于4 700 m高度48 h发现大鼠表现为肺湿干比增加,肺泡灌洗液蛋白浓度增加等肺水肿表现,并发现间质性肺水肿的病理学改变。经综合文献,发现大鼠高原肺水肿模型绝大多数都是采用模拟高原低压低氧环境创建,低氧时间以24 h与48 h居多。本实验决定采用模拟海拨6 000 m高度低压低氧24 h及48 h制作动物模型,并比较缺氧时间对高原肺水肿大鼠模型的影响。

本实验以肺病理学改变为肺水肿的诊断诊据,以其肺病理学积分、肺湿干比、肺组织匀浆内的NOS、ET-1为肺水肿严重程度的指标,观察低压低氧情况下上述指标的变化及不同低压低氧时间各种指标的变化。NO是一种重要血管内皮舒张因子,可以影响肺动脉血管的舒张和收缩的变化,因此体内NO变化会影响高原肺水肿的进展程度[7]。NO是在NOS催化下,由L-精氨酸(L-Arg)分解产生。NO与高原肺水肿的发病关系密切,急性缺氧时,体内一氧化氮合成和释放减少,肺血管收缩增强和血管重建,可能是导致肺动脉高压的重要原因。吸入NO可以减轻低氧性肺血管收缩,而NO受体阻滞剂可以加重低氧性肺血管收缩。而ET-1是目前所知作用最强的长效血管收缩剂,在肺动脉压的调解中二者互为拮抗。有研究证明[8]急性缺氧时,血浆ET-1水平显著升高,且升高水平与缺氧程度呈正比。可见NO的减少和ET-1的增加共同导致了肺动脉高压,而肺动脉高压正是是高原肺水肿发病的首要原因,故本实验以NO与ET-1的水平间接反应肺动脉高压的严重程度,通过肺动脉压力反应高原肺水肿的严重程度。

本实验研究结果显示:在海拨6 000 m高原,24 h低氧与48 h低氧均能诱引大鼠肺水肿的发生,表现为肺湿干比的上升,肺组织匀浆NOS升高及ET-1的降低;病理切片显示:肺泡间隔增宽,肺泡出血明显。说明低氧24 h与低氧48 h均可诱导大鼠产生高原肺水肿。与24 h缺氧组相比,48 h缺氧组的肺湿干比、ET-1水平、病理学积分升高,NOS水平降低,2组间差异显著,说明48 h缺氧肺水肿程度较24 h严重,这与临床观察到的HAPE通常在进入高原2~5 d发病相符,模型条件控制较为理想。

高原低压低氧均可导致高原肺水肿的发生,48 h低压低氧水肿程度较24 h水肿程度更加明显,故本实验结果认为应用48 h低压低氧诱引高原大鼠肺水肿模型比24 h低压低氧更为合适。由于实验条件及设备复杂性的限制,本实验并未直接测定大鼠肺动脉压力,仅测定大鼠肺动物舒缩的一对生化介质NOS与ET-1水平,更长的缺氧时间如72 h是否进一步加重肺水肿程度,本实验也未做进一步验证,其还需要进一步研究。

摘要：目的:通过模拟高原低压低氧环境,建立高原肺水肿大鼠动物模型,探讨低氧时间对大鼠肺水肿程度影响。方法:雄性Wistar大鼠随机分为3组,分别为对照组、24 h低氧组、48 h低氧组。比较大鼠肺湿干比、肺组织匀浆中一氧化氮合酶(NOS)、内皮素-1(ET-1)及肺组织病理形态学的变化。结果:与地面对照组比较,24 h低氧组与48 h低氧组大鼠肺湿干比及肺组织匀浆内ET-1升高、NOS降低,差异均有统计学意义(均P<0.05);病理学显示,24 h低氧组与48 h低氧组均有肺泡间隔增宽、间质充血等间质性肺水肿表现,与24 h低氧组相比,48 h低氧组肺湿干比、ET-1升高,肺组织匀浆内NOS降低,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:低压低氧可以有效诱导大鼠产生间质性肺水肿,且48 h低氧大鼠肺水肿程度较24 h低氧更严重,更适合应于现实研究。

关键词：高原病,肺水肿,大鼠,一氧化氮合酶,内皮素-1

参考文献

[1]Bartsch P,Mairbaurl H,Maggiorini M,et al.Physiological aspects ofhigh-altitude pulmonary edema[J].J Appl Physiol,2005,98(3):1101-1110.

[2]Bai C,She J,Goolaerts A,et al.Stress failure plays a major role in thedevelopment of high-altitude pulmonary oedema in rats[J].Eur Respir J,2010,35(3):584-591.

[3]陈宏莉,海春旭,梁欣,等.大鼠光气染毒后不同时间点肺水肿及炎症反应的差异性研究[J].癌变.畸变.突变,2006(2):93-95.

[4]Kleinsasser A,Levin DL,Loeckinger A,et al.A pig model of high alti-tude pulmonary edema[J].High Alt Med Biol,2003,4(4):465-474.

[5]Berg JT.Ginkgo biloba extract prevents high altitude pulmonary edemain rats[J].High Alt Med Biol,2004,5(4):429-434.

[6]李福祥,徐朝霞,夏前明,等.低氧习服对模拟高原低氧大鼠肺组织的影响及其HIF-1α表达变化[J].西部医学,2008(04):689-692.

[7]Duplain H,Sartori C,Lepori M,et al.Exhaled nitric oxide in high-alti-tude pulmonary edema:role in the regulation of pulmonary vascular toneand evidence for a role against inflammation[J].Am J Respir Crit Care Med,2000,162(1):221-224.

奇特的青藏高原两栖爬行动物第2篇

然而，虽然这片土地早已受世界瞩目，但青藏高原的生物多样性研究却长期处于滞后状态，部分地区甚至一直未被学者涉足。自2012年，我有幸和中国科学院昆明动物研究所的研究人员一起，参与了青藏高原的两栖爬行动物多样性调查。经过历时3年的野外调查和后期研究，我们发现和描述了大量未被科学认知的新物种，向世人揭示了这片土地叹为观止的两栖爬行动物的多样性。现在，就让我带领大家走进不一样的青藏高原，了解这片圣地鲜为人知的生态系统和生活在其中的奇特的两栖爬行动物。

定位：横断山区的高山河谷

从云南昆明出发，进入青藏高原的第一站就是滇西北-藏东的横断山区了。受高原主体隆起的挤压，这一区域的河流及山脉呈现出特殊的“褶皱状”，山脉河流相间，呈南北走向，形成了奇特的三江并流景观：怒江、澜沧江和金沙江在不超过70千米的区域内近乎平行流淌，其间被高黎贡山、云岭-宁静山及大雪山分隔。强烈的造山运动挤压造就了横断山区独具特色的高山峡谷景观，从河谷江面至山顶海拔落差可达2千米。伴随着这一独特地质景观的是横断山区立体多样的生态系统。江边河谷干燥炎热，夏季常有酷热干燥的“焚风”;而两栖爬行动物的栖息地以干燥碎石滩及带刺灌丛为主，鲜有树木生长。

然而，即便是在这样酷热干燥的河谷，也有可观的两栖爬行动物多样性。其中最容易发现的，莫过于攀蜥了。这些不过20厘米长的小蜥蜴们常匍匐于河边的大石头上，或惬意地享受日光浴，或激动地点着头、做“伏地挺身”运动，宣示着自己对周围领地的主权。攀蜥的雌、雄个体有其独特的外部形态，生物学上称为“性二态”。雄性攀蜥的背部沿身体有两条纵向的条纹，颜色多半鲜艳亮丽，而雌性则没有或有不清晰的纵纹，体色也更加贴近于周边的环境。可别小看了这些不起眼的小蜥蜴，就在过去的一年里，我们就在横断山区发现了3种未被科学认知的攀蜥新种，包括分布于澜沧江河谷中的翡翠攀蜥和帆背攀蜥，以及分布于怒江的滑腹攀蜥。

相较于蜥蜴，干热河谷中的蛇类多样性就低很多了。然而这些蛇类却也是大有来头。黑眉曙蛇和王锦蛇作为中国分布最广的蛇类，遍布我国南方各地;而在高原，它们为了适应当地稀缺的植被，进化过程中也被迫放弃华南地区家族“亲戚”艳丽的黄色斑纹，披上了棕褐色的“迷彩服”，以此来更好地伪装自己。高原蝮是这一地区特有的有毒蛇，它们经常栖息于河谷周边的灌丛石滩中。三角形的脑袋和粗短的尾巴是它最明显的鉴别特征。虽然有毒，但它并不会主动攻击人，往往只是慵懒地盘在石堆中，即便受到惊扰也是选择逃离。

或许干燥酷热的环境并不适合两栖动物生活，然而总有这么一些“异类”选择用自己证明反例的存在。2013年，研究人员就在西藏怒江的干燥河谷内发现了湍蛙属的一个新物种，它们被命名为“察隅湍蛙”。由于绝大多数的湍蛙都生活在热带、亚热带森林下的溪流中，因此，生活于干热河谷中的察隅湍蛙当之无愧成为了这一类群中的“奇葩”。除此之外，河谷溪流中还有各类齿突蟾与其共同生活，而溪流边潮湿的土地上还有中华蟾蜍在觅食游荡。

定位：西藏-青海高原主体

沿着317国道继续向西北前进，就进入西藏自治区的高原部分了。作为青藏高原的主体部分，“高”“寒”往往是大家对这儿的第一印象。但是，这里并不是枯燥无味、一成不变，青藏高原主体拥有不同的高原生态系统，包括了苔原、草甸和沙漠。虽然，理论上这样高寒的环境并不适合变温的两栖爬行动物生存，但和横断山峡谷中的“异类”一样，两栖爬行动物中不少顽强的“拓荒者”仍然适应了这里艰苦的环境，并在这里繁衍生息。

在高原的草甸湿地中，最常见的两栖动物莫过于高山蛙了。虽然常见，但它对于科学的贡献可不小。高山蛙不仅仅是全世界第二种所有基因都被人类完全解析的两栖动物，更是研究高原适应性和耐缺氧机制的完美的研究对象。和内地的亲戚不同，高山蛙蝌蚪为了适应高原的低温和匮乏的食物资源，需要两年以上的时间才能完成发育变态。因此，如果在高原上留心观察，你一年四季都可以发现游动的蝌蚪。

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温泉蛇算西藏不受关注的两栖爬行动物中知名度较高的了。作为全世界海拔分布较高的蛇类，温泉蛇栖息于西藏海拔3700米以上的高寒地带。虽然名字中包含一个“温泉”，但其实温泉蛇并不直接在温泉中生活，而是生活在温泉周边的河流和草甸中，它们通常以水中的高原鳅和高山蛙为食。白天，温泉蛇多在河边晒太阳热身，当身体温暖，达到捕食的最佳状态后，它们便会扎入冰冷的水中寻找猎物;等吃饱喝足，它们会懒洋洋地爬上岸，借着石块或沙滩的温度消化猎物。冬季降雪时，温泉蛇则会钻入温泉周边的缝隙或土洞中，借助地热来熬过高原严寒的冬季。

如果你拜访过位于拉萨的布达拉宫和色拉寺，你或许就有机会和高原上体型最大的鬣蜥—拉萨岩蜥擦肩而过。这些体型超过30厘米的大家伙喜欢栖息于高原裸露的石山上，侧扁的体型帮助它们将身体挤进石缝中，以躲过猛禽等天敌的捕食。在布达拉宫外围和色拉寺后面的石山上，你就能见到这些高原特有的小恐龙。岩蜥和攀蜥一样，也拥有性二态：雄性体色多为褐色或黑色，背部带有不规则的浅色斑点，而雌性则多为浅棕色或棕黄色，带有深色横纹。高原上一切食物都很宝贵，所以，拉萨岩蜥就没有河谷中的攀蜥那么“挑食”，昆虫、植物嫩芽、野花统统都在拉萨岩蜥的“菜谱”之中。

定位：藏东南亚热带、热带森林

要说青藏高原真正两栖爬行动物极丰富的地区，还数西藏自治区东南部低海拔潮湿温暖的热带、亚热带森林。印度洋的暖湿气流通过雅鲁藏布江河谷进入内地，滋润了这一片野生动植物的天堂。

由于藏东南地区拥有充足的雨水和常年稳定的气温，两栖动物能有机会远离水源，向不同的生境类型扩散。在西藏林芝地区的噶隆拉山上，生长着高海拔针阔叶混交林，这片广阔的森林中，生活着两种近年来才被我们发现命名的两栖类动物——刺疣齿突蟾和吴氏齿突蟾。两种齿突蟾分散栖息于落叶和苔藓下，只在繁殖季节才聚集于林下积水坑和缓流的溪流边进行繁殖。而在墨脱的热带雨林中，树蛙更是将栖息地扩展到一个新的“高度”。双斑树蛙、缅甸树蛙等栖息于较低矮的灌木和树木上，每到繁殖季节才聚集到稻田和水坑边求偶繁殖。白颌树蛙和横纹树蛙更适应树栖生活，甚至演化出“滑翔伞”一般发达的蹼，跳跃时将指、趾伸展开，借助空气动力在树梢间滑翔。今年1月我们才命名的墨脱棱鼻树蛙，更是将树栖生活发挥到了极致：它们不仅喜欢栖息于5米以上的雨林树冠中，更是完全摆脱了繁殖时对地面水源的依赖，在树洞积水坑中进行繁殖。

除了树蛙，藏东南热带、亚热带雨林中还拥有种类众多的爬行动物。林地间和树枝上常见的长肢攀蜥仅产于藏南和印度东北部，而栖息于河谷边大石上的相对体型更大的吴氏岩蜥则仅分布于西藏墨脱县。就蛇类而言，喜山颈槽蛇、黑线乌梢蛇都是此地区的常见物种，此外菜花原矛头蝮、察隅烙铁头，甚至眼镜王蛇和珊瑚蛇等热带亚热带毒蛇，在藏南墨脱县都有分布。2012年，我们还和华南濒危动物研究所的科研人员一起，在我国西藏自治区与尼泊尔的边界小镇发现了一种未被科学家认知的大型原矛头蝮蛇，此后，它正式被定名为“喜山原矛头蝮”。

因了解而热爱，因热爱而保护

尽管青藏高原地区拥有全国面积极大的自然保护区，但因商业开发带来的金钱诱惑和执法部门执法力度的不足，使很多地区，特别是生物多样性高度丰富的西藏自治区东南部和云南、四川省境内的横断山地区，受到了不必要的人为开发所带来的生态威胁。仅仅在我们开展调查的几年间，就见证了墨脱雨林被筑坝、修路蚕食的全过程。两栖爬行动物因迁移能力弱、对环境的依赖性强，在环境破坏的背景下面临着格外严峻生存的威胁。只有了解才会热爱，只有热爱才会保护，希望越来越多的人能了解到青藏高原独一无二的两栖爬行动物的多样性，关注两栖爬行动物的保护。

不是只有在国外纪录片中的非洲和南美才有多样的野生动物，在我国，残留于荒野中的生灵同样丰富而美丽，而且很多物种至今仍未被世人了解，等待着学者的探索发现。让我们关注这些可爱的荒野生灵，别让它们在被发现之前就悄然灭绝。关注中国本土生物多样性，就是对野生动物保护最大的支持！

（责任编辑/王滢）

高原动物的低氧适应性研究进展第3篇

1 肌红蛋白

1. 1 肌红蛋白的结构与功能

肌红蛋白是存在于人和哺乳动物心肌和骨骼肌等红肌中的一种蛋白质。肌红蛋白由一条多肽链和一个血红素辅基构成,相对分子质量为16 700,含153个氨基酸残基。在同样的氧分压条件下,肌红蛋白承载的氧量约为血红蛋白载氧量的6倍,为线粒体提供大量的氧。肌红蛋白与多种低氧相关的细胞因子有关,缺乏肌红蛋白会改变多种缺氧诱导基因( 如低氧诱导因子 - 1、血管内皮生长因子和NO合成酶等) 的表达,影响机体的整个低氧适应系统[3,4]。

1. 2 低氧环境与肌红蛋白变化

不同的研究者发现,低氧环境下肌红蛋白的含量与其基因的表达变化不同。李莉[5]研究发现,随着高原海拔的升高,氧气含量逐渐降低,在不同海拔高度下生长的牦牛的心肌和骨骼肌中肌红蛋白含量会随着海拔的升高而增加; 而2006年,张立凡等[6]研究发现,在低氧环境下藏鸡肌肉中肌红蛋白的mRNA表达量显著低于平原鸡。高原动物组织中肌红蛋白含量的增加有利于机体对氧储存能力的提高,高原动物与平原动物相比,其组织中肌红蛋白基因转录水平低下的原因是对低氧刺激有较高抵抗力的表现。基因和蛋白表达量上的不一致可能与mRNA的转录后修饰有关。

肌红蛋白基因的突变是高原动物适应低氧环境的方式之一。2007年,马兰等[7]运用基因转染和基因测序等技术进行了研究,结果发现,藏羚羊骨骼肌中肌红蛋白基因序列与其他动物相比,其21位和78位密码子发生了突变。肌红蛋白基因序列的改变可能会造成肌红蛋白结构和功能的改变,从而影响骨骼肌的贮氧能力。

2 血红蛋白

2. 1 血红蛋白的结构与功能

血红蛋白是哺乳动物体内运输氧的重要工具,是一种寡聚蛋白质,由4个亚基组成,当亚基上的血红素与氧结合后蛋白构象发生改变,从而加强其他亚基与氧的结合能力; 它通过高氧分压情况下和氧结合、低氧分压情况下使氧解离的方式为细胞提供能量代谢所需的氧。

2. 2 低氧环境与血红蛋白变化

2013年,V. H. Haase[8]研究发现,高原低氧环境下机体可通过脯氨酸羟化酶 - 低氧诱导因子 - 1α( HIF - 1α) 等细胞氧感受途径刺激促红细胞生成素( EPO) 合成与释放的增加,进而促进血红蛋白生成及红细胞增生以应对恶劣环境,但红细胞增加超过一定界限会造成血液黏滞性增高和脏器充血、水肿,从而引发高原红细胞增多症( high altitude polycythemia,HAPC) 。低氧环境不仅可以引起血液中血红蛋白含量的增加,长期的低氧生活还会导致血红蛋白发生构象上的改变。2012年,K. L. Campbell等[9]研究发现,台湾棕牙齿通过改变血红蛋白构象来增加氧亲和力,提高适应低氧环境的能力。

藏族人群血红蛋白浓度低于平原人群,是适应低氧环境、防止HAPC发生的表现之一。T. S. Simonson等[10]对比了西藏人群与低海拔生活人群基因组的变化模式,结果发现,脯氨酰羟化酶2 ( prolyl hydroxylase domain 2,PHD2) 和过氧化物酶增殖体激活受体( peroxisome proliferator activated receptor - A,PPARA) 基因的突变可能是造成西藏人群血液中血红蛋白浓度较低的原因。2005年,苟潇等[11]对不同海拔成年藏鸡血红蛋白全部编码序列进行多态分析,结果在 αD编码链上发现了一个低氧功能突变位点[Met - 2D( B13) - Leu],该基因为藏鸡所特有,其突变频率随着海拔的升高而增加。由于Leu替代了Met,提供了一个更疏水的环境,从而有利于血红素稳定,增加了血红蛋白的氧亲和力。急性低氧血浆中血红蛋白含量的增加可以促进机体对氧的转运能力,而长期低氧适应则要通过血红蛋白亲氧能力的提升来完成,其中血红蛋白基因序列的改变是提升血红蛋白亲氧能力的关键因素,血红蛋白表达相关酶基因的改变也是高原动物适应低氧环境的遗传机制之一。

3 血管内皮生长因子

3. 1 血管内皮生长因子的结构与功能

血管内皮生长因子是由二硫键共价相连的同源二聚体所构成的糖蛋白,其相对分子质量为34 × 103~ 46 × 103,能特异地结合于血管内皮细胞,促进其增生形成新生血管,且能增强血管通透性。血管内皮生长因子对于氧随着血液在机体内的转运起到关键作用。

3. 2 低氧环境与血管内皮生长因子变化

2009年,王维群等[12]研究发现,低氧可以诱导大鼠腓肠肌血管内皮生长因子蛋白含量增加。强巴央宗等[13]研究发现,低氧环境下藏鸡和矮小隐性白鸡尿囊膜中血管内皮生长因子基因表达量均上调,而矮小隐性白鸡上调程度显著高于藏鸡,鸡胚死亡率也显著高于藏鸡,说明低氧环境可诱导机体组织血管内皮生长因子基因高度表达,而藏鸡相对适应了低氧环境使血管内皮生长因子基因在尿囊膜上不至过量表达引起胚胎死亡。2013年,肖骁等[14]对藏山羊和乐至黑山羊垂体及肝脏组织中血管内皮生长因子mRNA表达量进行了对比分析,结果发现,在藏山羊的垂体和肝脏中血管内皮生长因子基因表达量均显著低于乐至黑山羊,这是高原藏山羊适应低氧环境的表现。

对不同海拔地区牦牛和黄牛血液中血管内皮生长因子 - A基因序列测定的结果表明,在牦牛血管内皮生长因子 - A基因中检测到2个特异性的SNP( SNP g. 8430T > C,SNP g. 14853G > A) ,高海拔牦牛GA和AA基因型频率、A等位基因频率、单倍型AT基因频率极显著高于低海拔牦牛( P < 0. 01) ,推测G > A的突变可能有利于牦牛适应低氧环境[15]。低氧可以刺激动物体肌肉、尿囊膜等组织中血管内皮生长因子基因及蛋白的高表达,高原动物血管内皮生长因子基因在低氧时表达量低于平原动物是低氧适应的一种表现,其可能机制是血管内皮生长因子基因序列改变造成的。

4 低氧诱导因子

4. 1 低氧诱导因子的结构与功能

低氧诱导因子最早是由S. Salceda等人在低氧诱导的细胞核提取物中发现的,它是由 α 亚基和 β亚基组成的异二聚体,α 亚基和 β 亚基均包含b HLH结构域、PAS结构域、羧基末端的反式活化结构域及入核信号。PAS结构域和b HLH结构域是低氧诱导因子 - 1α 的关键部位,能介导低氧诱导因子 - 1α 与DNA结合。研究发现,低氧条件下低氧诱导因子 -1α 羟基化受阻,不能通过泛素 - 蛋白酶体途径降解,导致其表达量迅速增加[16,17]。大量蓄积的低氧诱导因子 - 1α 可以激活一系列低氧诱导表达基因的转录,如血管内皮生长因子、葡萄糖运载体蛋白 Ⅰ( GLUTⅠ) 、三羧酸循环及糖酵解系列酶。这些靶基因的表达可以通过诱导血管生成、增强葡萄糖摄取和利用、调节糖酵解和能量代谢方式等途径使机体适应低氧环境。低氧诱导因子 - 2α 和低氧诱导因子 - 1α属于低氧诱导因子序列同源性 α 亚基,二者均受氧浓度调节,是调节低氧诱导因子活性的功能亚单位。研究显示,低氧诱导因子 - 2α mRNA在不同组织内的含量变化与血管内皮生长因子mRNA含量的变化一致,这表明低氧诱导因子 - 2α 可能通过调节血管内皮生长因子基因的表达来影响内皮细胞的分布和功能,进而增强对低氧环境的适应性[18]。

4. 2 低氧环境与低氧诱导因子变化

2007年,王存芳等[19]通过检测常氧和低氧孵化条件下藏鸡、白来航鸡和寿光鸡大脑和骨骼肌中低氧诱导因子 - 1α 基因的表达,结果发现,低氧孵化条件下3种鸡组织中低氧诱导因子 - 1α 基因表达量总是高于常氧,且无论是低氧还是常氧孵化,藏鸡的低氧诱导因子 - 1α 表达量总是高于另外两个鸡种。2001年,N. Akeno等[18]研究发现,在MG63造骨细胞中,低氧诱导时低氧诱导因子 - 2α 蛋白含量增加,同时血管内皮生长因子增强子活性及血管内皮生长因子mRNA表达量明显增加,并且在时间上低氧诱导因子 - 2α 蛋白增加先于血管内皮生长因子mRNA的增加; 而低氧诱导因子 - 1α 不能诱导血管内皮生长因子增强子活性及血管内皮生长因子mRNA表达增加。说明低氧条件下MG63造骨细胞是通过低氧诱导因子 - 2α 诱导血管内皮生长因子的表达来实现抗低氧的。

有学者对藏族人群高原适应性进行了研究,结果发现,藏族人低氧诱导因子 - 1α 外显子中G1790A的单核苷酸多态性等位基因的GA基因型频率显著高于汉族人,说明G1790A的GA基因型可能与藏族人适应低氧环境有关[20]。2010年,C. M. Beall等[21]通过全基因组等位基因扫描对比了高原藏族人群与低地汉族人群基因组,结果发现,位于EPAS1转录因子附近的8个单核苷酸多态性等位基因存在显著差异,该基因编码转录因子低氧诱导因子 - 2α,后续研究确认藏族人EPAS1的31个单核苷酸多态性的高度连锁不平衡与血红蛋白浓度显著相关。2013年,关巍等[22]检测了不同海拔地区世居藏族人与移居汉族人血清中低氧诱导因子 - 1α、低氧诱导因子 - 2α、血红蛋白含量,结果发现,高海拔藏族人和汉族人血红蛋白含量较平原汉族人及中度海拔藏族人和汉族人明显升高,高海拔藏族人血红蛋白含量低于汉族人,但低氧诱导因子 - 1α 的含量在高海拔藏族人和汉族人之间的差异无统计学意义,说明在血红蛋白调节中,除低氧诱导因子 - 1α 外,可能还有其他因素在起调节作用。各组低氧诱导因子 - 2α 含量与血红蛋白的变化一致,说明低氧诱导因子 - 2α 在血红蛋白的调节下可能起着较低氧诱导因子 - 1α 更为重要的作用。中度海拔和高海拔藏族人的低氧诱导因子 - 2α 含量的差异无统计学意义,均低于平原汉族人和同海拔汉族人,说明藏族人在低氧环境下,低氧诱导因子 - 2α 水平稳定,这可能与藏族人血清中低血红蛋白含量有关。

5 天冬酰胺羟化酶

5. 1 天冬酰胺羟化酶的结构与功能

天冬酰胺羟化酶是由P. C. Mahon等[17]研究发现的一种编码349个氨基酸的蛋白质,将含有此基因的片段与低氧诱导因子 - 1α 基因片段的载体转染HEK393和Hep3B细胞,结果发现,在缺氧条件下,天冬酰胺羟化酶可以通过羟化低氧诱导因子 - 1α 上的脯氨酸和天冬氨酸来抑制低氧诱导因子 - 1α 基因的表达。

5. 2 低氧环境与天冬酰胺羟化酶变化

研究发现,持续低氧条件下培养的滋养细胞比常氧环境下培养的细胞中天冬酰胺羟化酶 - 1 mRNA和蛋白表达低,而低氧诱导因子 - 1α mRNA和蛋白表达量高于常氧细胞[23]。说明在低氧环境下,细胞可以通过抑制天冬酰胺羟化酶 - 1的表达刺激低氧诱导因子 - 1α 的高表达来应对低氧刺激。但是,目前尚未有研究验证高原动物能否通过天冬酰胺羟化酶基因序列改变及天冬酰胺羟化酶蛋白构象、功能改变的方式来适应低氧环境。

6 细胞代谢

6. 1 低氧环境与三羧酸循环酶活性变化

研究显示,低氧训练能显著提高大鼠腓肠肌与三羧酸循环相关的柠檬酸合成酶( citrate synthase,CS)和琥珀酸脱氢酶( succinate dehydrogenase,SDH) 活性[24]。三羧酸循环酶的增强提示有氧代谢的增强是抵抗低氧环境的有效途径。2008年,张浩等[25]研究发现,在高海拔环境中,藏鸡心肌琥珀酸脱氢酶活性明显高于寿光鸡和矮小隐性白羽鸡,说明提高三羧酸循环酶活力是高原动物适应低氧环境的机制之一。

6. 2 低氧环境与机体无氧酵解的变化

早期研究发现,急性低氧处理后大鼠血清中乳酸脱氢酶同工酶5 ( lactate dehydrogenase isoenzyme 5,LDH5) 的活性显著增强,更多地催化丙酮酸转化为乳酸,使机体无氧酵解加强[26]。2007年,王存芳等[27]研究发现,藏鸡与白来航鸡和寿光鸡在糖酵解酶磷酸甘油酸激酶( phosphoglycerate kinase,PGK) 编码基因的基因组序列上存在4个有差异的SNP,其中一个SNP是外显子上第59个碱基A→G的突变,使其具有低氧诱导因子 - 1α 的结合位点( ACGTGCT) ,即含有低氧应答元件( hypoxia response element,HRE) 。说明在低氧环境下,高原动物组织内PGK基因受低氧诱导因子 - 1α 调控,并通过增强糖无氧酵解为机体提供能量,满足机体活动需要,进而适应外界环境。

6. 3 低氧环境与脂肪变化

低氧和常氧处理人肝细胞株L02细胞,低氧可诱导细胞内出现脂质沉积,三酰甘油( triglyceride,TG)含量增多,低氧诱导因子 - 2α 蛋白仅在低氧组出现表达,随着低氧处理时间增加脂肪分化相关蛋白( adipose differentiation related protein,ADRP) 伴随低氧诱导因子 - 2α 蛋白同步表达增加,固醇调节元件结合蛋白 ( sterol regulatory element binding protein,SREBP) - 1c mRNA表达下调,脂肪酸合成酶 ( fatty acid synthetase,FAS) 蛋白表达下调,证实在低氧环境下机体通过低氧诱导因子 - 2α - ADRP途径诱导肝细胞脂肪沉积[28]。脂肪酸结合蛋白 ( fatty acid binding protein,A - FABP) 参与调解哺乳动物细胞内脂肪浓度,通过对甘南牦牛、青海牦牛和天祝牦牛与普通牛脂肪酸结合蛋白基因序列进行多态性分析,结果发现,仅在牦牛上存在6个SNPs,其中位于第4外显子上的SNPs为同义突变,影响mRNA的翻译速度、甚至能改变蛋白结构和功能,进而影响脂肪的合成[29]。低氧会诱导肝脏中脂肪沉积造成脂肪肝等代谢疾病,牦牛脂肪代谢相关基因序列的改变是预防低氧性脂肪沉积的主要遗传机制。

7 展望

动物机体对低氧环境的适应机制是一个错综复杂而又紧密关联的体系,其中肌红蛋白、血红蛋白、血管内皮生长因子、低氧诱导因子、天冬酰胺羟化酶、细胞能量代谢相关酶等是机体应对低氧刺激的重要参与者,同时也是低氧性疾病发生的重要诱因。高原动物之所以能长期生活在恶劣的低氧环境离不开上述细胞因子及蛋白的调控。它们蛋白结构和功能的改变影响着机体对氧的运输和利用、调节着能量的代谢、预防着低氧性疾病的发生,其基因序列的改变是高原物种适应低氧环境的主要遗传机制。目前,虽然人和动物的低氧适应性研究取得了较大进展,但尚未发现和构建出低氧适应性的完整机制,未来应从基因、蛋白、细胞、组织和器官,以及动物形态和行为等不同层次上寻找动物低氧适应的内在联系,这对高原畜牧业的发展、低氧疾病的治疗及抗低氧药物的开发均具有重要意义。

摘要：氧是维持机体代谢和内环境稳态的基本条件,高原地区的低张性缺氧是畜禽呼吸道狭窄、脑膜炎、呼吸中枢麻痹等重大疾病发生发展的主要原因,严重制约着畜禽动物的生产性能。低氧适应分子机制的研究对于疾病治疗、药物开发、畜牧业发展具有重要影响。随着免疫组化、实时定量PCR、基因芯片、基因组测序等分子生物技术的应用,高原动物低氧适应性的分子调控机制也得到了进一步认识。