高原土生動(dòng)物低氧適應(yīng)機(jī)制研究進(jìn)展

申　健(綜述),牛廷獻(xiàn)(審校)，史智勇

(蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)科，蘭州 730050)

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高原土生動(dòng)物低氧適應(yīng)機(jī)制研究進(jìn)展

申健(綜述),牛廷獻(xiàn)※(審校)，史智勇

(蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)科，蘭州 730050)

摘要：高原低氧適應(yīng)是高原醫(yī)學(xué)研究的核心，高原低氧適應(yīng)的機(jī)制主要是圍繞缺氧而建立起的一系列復(fù)雜的代償。高原土生動(dòng)物是研究高原低氧適應(yīng)的理想模型，以藏豬、高原鼠兔、藏羚羊和蕨麻小型豬為例，研究者們多以其血液學(xué)特征、肺血管結(jié)構(gòu)和功能及低氧適應(yīng)相關(guān)基因等方面作為基礎(chǔ)研究，但目前在細(xì)胞及分子水平研究不夠深入，研究土生動(dòng)物低氧適應(yīng)機(jī)制，可以為高原實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的開(kāi)發(fā)研究提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:高原土生動(dòng)物；高原醫(yī)學(xué)；低氧適應(yīng)機(jī)制

高原野生動(dòng)物在低氧適應(yīng)過(guò)程中，表現(xiàn)出特有的適應(yīng)機(jī)制，成為高原低氧適應(yīng)研究的理想模型。高原低氧機(jī)制適應(yīng)研究是環(huán)境低氧適應(yīng)領(lǐng)域的主導(dǎo)研究，也是今后醫(yī)學(xué)相關(guān)研究的主要方向，因此眾多研究人員選擇高原土生動(dòng)物作為研究對(duì)象，如藏豬(Tibetan pig)、高原鼠兔(Ochotona curzoniae)、藏羚羊(Tibetan antelope,Pantholops hodgsonii)和蕨麻小型豬(Juema minipig)等世居于海拔3000～6000 m的土生動(dòng)物，對(duì)其展開(kāi)了生理學(xué)、形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)等方面的研究。這些動(dòng)物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然選擇后，生理、生化和形態(tài)方面已具有能夠適應(yīng)高海拔缺氧環(huán)境的穩(wěn)定遺傳學(xué)特性?，F(xiàn)對(duì)高原土生動(dòng)物低氧適應(yīng)機(jī)制研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1血液學(xué)的特征

紅細(xì)胞和血紅蛋白在生物體內(nèi)負(fù)責(zé)氧氣運(yùn)輸，以滿足機(jī)體需氧量。紅細(xì)胞增多時(shí)，由于其體積減小使血液的黏稠度降低，保持了血液的流速，以確保氧氣的正常運(yùn)輸[1]。

1.1藏豬藏豬的平均紅細(xì)胞容積和平均血紅蛋白水平均低于普通豬[2]。其突出特點(diǎn)是血紅蛋白與氧結(jié)合和釋放的能力顯著高于相應(yīng)的平原物種[3]。

1.2高原鼠兔王曉君等[4]研究表明，高原鼠兔具有血紅蛋白水平低、血細(xì)胞比容低、血氧利用率高的特征。不同海拔高度的高原鼠血細(xì)胞比容和血紅蛋白的水平均顯著低于生活在相同環(huán)境中的Wistar大鼠[5]。高原鼠兔的血細(xì)胞比容從2300～5000 m海拔高度僅增加了15.8%，而Wistar 大鼠血細(xì)胞比容的增加量是鼠兔的4倍左右[6]。為了避免影響組織的灌流，高原鼠兔可以通過(guò)此變化來(lái)防止血液黏稠度增加，同時(shí)，可以使血紅蛋白攜氧更多，這是其在血液方面已適應(yīng)高原的一大特點(diǎn)。

1.3藏羚羊藏羚羊與高原鼠兔也有著相似的血液學(xué)特征，藏羚羊的血紅蛋白水平和血細(xì)胞比容較海拔高度的土生動(dòng)物明顯降低[7]。與藏系綿羊相比，藏羚羊血液中的促皮質(zhì)醇、促腎上腺皮質(zhì)激素、腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素和生長(zhǎng)素釋放激素水平明顯升高，但藏系綿羊血液中的雌二醇水平顯著低于藏羚羊，說(shuō)明如果紅細(xì)胞增加過(guò)多，藏羚羊就能通過(guò)分泌雌二醇來(lái)抑制，而且血液中血紅蛋白水平也可以通過(guò)分泌雌二醇來(lái)保持其處于適當(dāng)水平以防止血液黏稠度的增加，血液黏稠度過(guò)高會(huì)阻礙血液中氧氣的運(yùn)輸[8]。這是藏羚羊在高原惡劣的環(huán)境下運(yùn)動(dòng)、耐受能力強(qiáng)的重要原因。

1.4蕨麻小型豬蕨麻小型豬又稱(chēng)合作豬、山地豬，生長(zhǎng)于青藏高原甘南藏族自治州的合作地區(qū)，是典型的高原小型豬種之一[9]。本課題組對(duì)同一批高原蕨麻小型豬，分別在高原(海拔3500 m)和在亞高原地區(qū)(蘭州，海拔1500 m)飼養(yǎng) 3個(gè)月和6個(gè)月后采集血樣，進(jìn)行了生理生化測(cè)定。結(jié)果表明，在亞高原飼養(yǎng)3個(gè)月后，白細(xì)胞、紅細(xì)胞數(shù)目、血紅蛋白和血細(xì)胞比容水平顯著低于高原地區(qū)，平均血紅蛋白水平顯著下降。而紅細(xì)胞分布寬度顯著升高；在亞高原地區(qū)飼養(yǎng)6個(gè)月后，血細(xì)胞比容、平均紅細(xì)胞容積和紅細(xì)胞分布寬度極顯著降低，白細(xì)胞和平均紅細(xì)胞血紅蛋白量有所降低。紅細(xì)胞、血紅蛋白和血細(xì)胞比容低于高原地區(qū)的原因可能是在亞高原缺氧有所緩解，在缺氧環(huán)境下紅細(xì)胞代償性增加，通過(guò)增殖以及合成血紅蛋白來(lái)提高攜氧能力，以適應(yīng)高海拔缺氧環(huán)境，血紅蛋白水平越高對(duì)氧的親和力越高，則機(jī)體缺氧耐受力越高。紅細(xì)胞壓、紅細(xì)胞容積的降低使血液黏稠度不致過(guò)高，有利于血液循環(huán)暢通，減輕心臟負(fù)擔(dān)。這對(duì)于蕨麻小型豬的高原適應(yīng)機(jī)制提供了重要的血液學(xué)依據(jù)[10]。

2肺血管結(jié)構(gòu)和功能的變化

低氧對(duì)動(dòng)物最顯著的影響是引起肺動(dòng)脈壓升高。低氧性肺動(dòng)脈高壓特點(diǎn)之一是肺小動(dòng)脈壁平滑肌細(xì)胞的異常增生和肺血管收縮反應(yīng)增強(qiáng)。肺小動(dòng)脈壓力的增高可以改善通氣血流的匹配，從而減輕低氧血癥，這是一個(gè)重要的適應(yīng)機(jī)制[11]。

2.1藏豬藏豬經(jīng)常生活在高原缺氧的環(huán)境中，其呼吸系統(tǒng)組織學(xué)有其獨(dú)特的一面。藏豬肺支氣管周?chē)鸁o(wú)炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，肺泡腔內(nèi)塵細(xì)胞極少，肺泡壁和肺間質(zhì)血管較豐富。呼吸系統(tǒng)表現(xiàn)出高原動(dòng)物組織學(xué)特點(diǎn)[12]，這種特點(diǎn)對(duì)今后藏豬實(shí)驗(yàn)所涉及的組織學(xué)判斷有重要參考價(jià)值。

2.2高原鼠兔在長(zhǎng)期低氧環(huán)境下，肺血管結(jié)構(gòu)和功能的變化是高原鼠兔適應(yīng)低氧環(huán)境的重要機(jī)制之一。高原鼠兔平滑肌及肺血管內(nèi)皮細(xì)胞在長(zhǎng)期低氧環(huán)境下無(wú)低氧性損傷并維持一氧化氮正常釋放[13]，這對(duì)維持肺血管的低張力起到了重要作用。

2.3藏羚羊張先鈞等[14]在通過(guò)對(duì)藏羚羊肺部光鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察后研究表明，藏羚羊肺內(nèi)，高倍鏡下小支氣管的黏膜上皮為假?gòu)?fù)層纖毛柱狀上皮，杯狀細(xì)胞明顯，纖毛清晰可見(jiàn)[15]。部分小支氣管的外膜中，存在一層完整的、較厚的縱行平滑肌層，透明軟骨明顯，這說(shuō)明了藏羚羊在低氧環(huán)境下，形成了通過(guò)改變細(xì)胞、組織結(jié)構(gòu)來(lái)主動(dòng)適應(yīng)高原環(huán)境及繁衍的生存機(jī)制。與藏系綿羊比較，藏羚羊肺通氣能力、心臟泵血功能以及能量代謝方面的低氧適應(yīng)能力明顯較強(qiáng)，動(dòng)脈血氧飽和度、心室壁厚度、肺Ⅱ型細(xì)胞含量、肺通氣儲(chǔ)備能力、肌肉組織中線粒體含量明顯較高[16]。

3高原低氧適應(yīng)相關(guān)基因研究

近年來(lái)，高原土生動(dòng)物低氧適應(yīng)機(jī)制的分子生物學(xué)研究已成為高原醫(yī)學(xué)研究的熱點(diǎn)，主要研究了低氧相關(guān)基因的克隆與表達(dá)及其低氧調(diào)控機(jī)制。促紅細(xì)胞生成素(erythropoietin,EPO)、低氧誘導(dǎo)因子1(hypoxia inducible factor 1,HIF-1)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)是幾個(gè)具有代表性的低氧適應(yīng)相關(guān)基因。

EPO基因在機(jī)體供氧不足的情況下，紅細(xì)胞數(shù)增多，信使RNA表達(dá)水平明顯增加[1]。HIF-1由氧調(diào)節(jié)亞基HIF-1α和結(jié)構(gòu)亞基HIF-1β組成[17]，可以誘導(dǎo)眾多抗低氧基因的表達(dá)，參與細(xì)胞內(nèi)氧平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)，其在低氧適應(yīng)機(jī)制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。HIF-1α是調(diào)節(jié)HIF-1活性的功能亞單位。研究結(jié)果表明，高原土生動(dòng)物HIF-1α在各組織中的表達(dá)量普遍高于低海拔對(duì)照組，并表現(xiàn)出顯著的組織差異性[16]。劉芳[16]研究證明，在肺、心肌、骨骼肌組織中，藏羚羊HIF-1α蛋白的表達(dá)量要比藏系綿羊與平原綿羊呈明顯增高趨勢(shì)，這與高原鼠兔、牦牛等相一致。因此可以推斷，HIF-1α組織的特異性表達(dá)有可能是這些動(dòng)物適應(yīng)高原高海拔環(huán)境的分子基礎(chǔ)。楊曦明等[18]證實(shí)，VEGF表達(dá)量的水平與高原肺水腫的發(fā)病及高原習(xí)服密切相關(guān)。研究表明，EPO及VEGF等多種基因的表達(dá)與毛細(xì)血管增生的機(jī)制有緊密的關(guān)聯(lián)。目前已知EPO和VEGF均為HIF-1的下游調(diào)控基因。Detmar等[19]發(fā)現(xiàn)，低氧可上調(diào)EPO、VEGF基因表達(dá)的水平，在恢復(fù)供氧時(shí)，又恢復(fù)到正常水平。韓樹(shù)鑫等[20]在對(duì)藏豬的研究中發(fā)現(xiàn)，與低海拔地區(qū)的豬相比較，藏豬EPO基因的表達(dá)量明顯較高。EPO基因的低氧特異性高表達(dá)可能是藏豬低氧適應(yīng)的分子基礎(chǔ)之一[1]。本課題組對(duì)高原蕨麻小型豬與長(zhǎng)白豬低氧相關(guān)基因VEGF、EPO及HIF-1α進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，其表達(dá)量表現(xiàn)出組織差異性。高原蕨麻小型豬VEGF和HIF-1α在肺、腎中的表達(dá)量明顯高于蘭州地區(qū)長(zhǎng)白豬；EPO只在肺中高于蘭州地區(qū)長(zhǎng)白豬。

另外，跨膜絲氨酸蛋白酶6基因在機(jī)體的鐵代謝調(diào)節(jié)中具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，跨膜絲氨酸蛋白酶6基因存在低氧結(jié)合位點(diǎn)，受低氧和HIF-1α的上調(diào)，其表達(dá)與血紅蛋白和紅細(xì)胞有一定的相關(guān)性，并且受到HIF-1的調(diào)控[1]。因此，它在高原動(dòng)物的低氧適應(yīng)過(guò)程中起到一定的作用，成為研究高原低氧適應(yīng)機(jī)子的候選基因。

4結(jié)語(yǔ)

鑒于目前對(duì)高原土生動(dòng)物低氧適應(yīng)機(jī)制的研究不夠深入的狀況，研究者們應(yīng)對(duì)多種高原土生動(dòng)物利用現(xiàn)代分子生物學(xué)的方法，在細(xì)胞及分子水平上深入研究，積極發(fā)揮豐富的資源優(yōu)勢(shì)，發(fā)掘其高原特性及低氧適應(yīng)的詳細(xì)機(jī)制，為開(kāi)發(fā)研究具有高原特性的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物提供基礎(chǔ)理論依據(jù)，這將對(duì)人類(lèi)高原疾病的防治研究有著重要的指導(dǎo)意義。相信隨著研究的一步深入，將發(fā)現(xiàn)更多低氧相關(guān)基因及其作用機(jī)制，進(jìn)一步揭示高原低氧適應(yīng)的遺傳學(xué)特征，為高原醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

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Advances in Research on Hypoxia Adaptation Mechanisms of Native Plateau AnimalsSHENJian,NIUTing-xian,SHIZhi-yong. (DepartmentofAnimalExperiment,LanzhouGeneralHospitalofPLA,Lanzhou730050,China)

Abstract:Plateau hypoxia adaptation is the core of the plateau medical research,the mechanism of which is mainly a series of complex compensatory established around the hypoxia.Native plateau animals are ideal models of plateau hypoxia adaptation research.Based on the Tibetan pig,plateau pika,the Tibetan antelope and Juema minipig,researchers conducted basic research on their characteristics of hematology,pulmonary vascular structure and function,hypoxia adaptation related genes,etc.,but there is not enough research on the cellular and molecular level.Research on native plateau animals of hypoxia adaptation mechanisms can provide theoretical basis for the study and development of the plateau experimental animals.

Key words：Native plateau animals; Plateau medicine; Hypoxia adaptation mechanism

收稿日期：2015-01-04修回日期：2015-04-17編輯：相丹峰

基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金(1308RJZA178)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.21.004

中圖分類(lèi)號(hào)：R332

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-2084(2015)21-3850-03