高原犬低氧適應(yīng)研究進展

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(公安部南京警犬研究所，江蘇 南京 210012)

氧氣是生物有機體進行新陳代謝的必要因素。低氧是高原地區(qū)最主要的環(huán)境限制性因子之一，隨著海拔的升高，氧氣進入循環(huán)系統(tǒng)變得較為困難，導(dǎo)致動物機體缺氧，進而影響機體的能量代謝和生理行為，嚴重的甚至導(dǎo)致組織壞死。世居高原的動物和人機體會出現(xiàn)一系列的生理性適應(yīng)性改變，包括毛細血管數(shù)量和密度增加、肺血管阻力下降、無氧代謝能力增強、低氧誘導(dǎo)因子激活等，這些生理適應(yīng)性改變是在長時間的演化過程中形成的，以便于更好的應(yīng)對高原低氧環(huán)境。

為了維護高原地區(qū)的安全和穩(wěn)定，公安機關(guān)對于適應(yīng)高原環(huán)境的警犬的需求日趨強烈。而目前我國高原地區(qū)警犬大部分都是從低海拔地區(qū)轉(zhuǎn)運過去的，由于都是在低海拔地區(qū)生長訓(xùn)練的犬，到了高海拔地區(qū)后大部分犬會產(chǎn)生不同程度的高原反應(yīng)，從而影響工作。為了克服這種現(xiàn)象，本文從高原犬血液學(xué)特征、肺組織的結(jié)構(gòu)和功能、低氧適應(yīng)基因等方面對世居高原的犬低氧適應(yīng)性進行分析、綜述，以期為有高原反應(yīng)的警犬提供合理的治療方法，同時為培育適應(yīng)高原低氧環(huán)境的警犬提供理論依據(jù)。

1 高原犬的血液學(xué)特征

在生物體內(nèi)，紅細胞和血紅蛋白負責(zé)氧氣的運輸，以滿足機體對氧氣的需要。紅細胞數(shù)和血紅蛋白增多是許多生活在高原環(huán)境動物的血液學(xué)特征。有研究報道，與平原地區(qū)犬種相比，高原地區(qū)犬有著較低的紅細胞比容、平均紅細胞體積，但紅細胞平均血紅蛋白濃度顯著高于平原地區(qū)犬種。血液紅細胞比容和平均紅細胞體積小，有利于降低血液的粘稠度，減小血液循環(huán)阻力，保證血液的流動速度，減輕心臟負擔(dān)，提高血液運輸氧氣的能力。高原犬低紅細胞比容和低平均紅細胞體積的血液性狀與高原鼠兔、高原鼢鼠以及藏羚羊的血液性狀相類似。

2 高原犬肺組織的結(jié)構(gòu)與功能

肺不僅參與氧氣和二氧化碳的交換，而且還是機體很多物質(zhì)合成和代謝的場所，是呼吸系統(tǒng)中重要的功能器官。世居高原地區(qū)最典型的犬種是藏獒。藏獒的肺組織結(jié)構(gòu)與平原地區(qū)犬相比有明顯的特點。藏獒的肺臟較大，比同等體型的犬大三分之一以上，肺活量比其他犬種也大的多。有研究報道，藏獒肺胸膜較厚，有大量的彈性纖維和膠原纖維，肺表面有很多高低不平的皺襞，這種結(jié)構(gòu)有利于肺在機體強烈呼吸時的擴張與回縮。藏獒肺泡隔內(nèi)有許多毛細血管，這些血管呈擴張狀態(tài)，其內(nèi)有大量紅細胞，這對增加氧氣的運輸和肺泡通氣至關(guān)重要。高原兔和藏羊的肺組織也有相似的觀察結(jié)果。此外，藏獒肺呼吸部有發(fā)達的多分支肺泡管，這種肺泡管構(gòu)成了肺的主要空間支架，在其周圍連通著大量呈萎陷狀態(tài)的肺泡。在正常情況下，藏獒的呼吸主要靠肺泡管以及近周的肺泡和血管完成，而當(dāng)劇烈奔跑時，才會動用到那些大量呈萎陷狀態(tài)的肺泡，這樣藏獒也就擁有比平原動物大得多的貯備力。這些都是藏獒適應(yīng)高原低氧環(huán)境的重要機制。

3 高原低氧適應(yīng)相關(guān)基因

3.1 內(nèi)皮PAS1蛋白(EPAS1)基因

EPAS1是1997年在內(nèi)皮細胞中首次發(fā)現(xiàn)的，該基因是低氧誘導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵基因，與低氧誘導(dǎo)的正性調(diào)節(jié)相關(guān)，參與紅細胞生成素、血管內(nèi)皮生長因子、內(nèi)皮型一氧化氮合酶相關(guān)基因的上游調(diào)節(jié)。EPAS1主要在肺、胎盤和內(nèi)皮細胞中表達，在低氧環(huán)境下，EPAS1基因編碼合成的低氧誘導(dǎo)因子2α蛋白(HIF-2α)明顯升高，從而誘導(dǎo)眾多抗低氧基因的表達，參與細胞內(nèi)氧平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)，在低氧適應(yīng)機制中發(fā)揮重要作用。有研究報道，EPAS1基因與藏族人低血紅蛋白濃度呈強相關(guān)，且在低海拔人群和高海拔人群中存在明顯差異。在犬中，EPAS1基因也編碼HIF-2α蛋白。有學(xué)者在高原犬類的EPAS1基因中發(fā)現(xiàn)了四個相關(guān)的非同義突變，擴展實驗也證明其中一個突變位點在高原犬中突變型等位基因頻率達到95%，而平原犬中這一數(shù)值僅為4.9%。此結(jié)果說明，EPAS1基因在高原犬的低氧適應(yīng)機制中起到至關(guān)重要的作用。

3.2 血管內(nèi)皮生長因子基因(VEGF)

VEGF又稱血管通透因子，廣泛分布于人和動物的各個組織，是內(nèi)皮細胞增殖和血管再生的關(guān)鍵調(diào)控因子。有研究稱，動物組織微血管密度的大小與其對低氧的適應(yīng)性有關(guān)，而VEGF基因的表達水平又與微血管密度成正相關(guān)。低氧環(huán)境可以刺激VEGF-A及其受體在動物和人組織細胞、內(nèi)皮細胞中發(fā)揮促進新生血管內(nèi)皮增殖及增加血管通透性的功能。此外，VEGF是低氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)的下游調(diào)控基因，低氧可以通過對HIF-1表達的調(diào)控進而影響VEGF基因的表達〗。有研究報道，高海拔地區(qū)人群血清VEGF水平顯著高于低海拔人群。高原鼢鼠骨骼肌VEGF165基因表達水平顯著高于SD大鼠。對于犬而言，2 300 m海拔的犬VEGF水平顯著高于處于海拔700～900 m的犬。高海拔地區(qū)犬VEGF的表達量高可能是犬高原適應(yīng)性的機制之一。

3.3 促紅細胞生成素基因(EPO)

EPO主要由腎臟腎小管旁細胞產(chǎn)生，是一類重要的細胞因子。EPO能促使造血干細胞分化，對紅細胞生成有決定性的作用，是最早發(fā)現(xiàn)與低氧有關(guān)的基因。在機體供氧不足的情況下，EPO基因表達水平明顯升高。EPO是通過增加紅細胞壓積與血液粘稠度來提高血液的攜氧能力，進而改善高原性缺氧的癥狀。EPO和VEGF相同，也是HIF-1的下游調(diào)控基因，低氧通過改變HIF-1的表達進而影響EPO的水平。此外，EPO還有很強的促血管生長作用。有研究報道，不同海拔高原鼢鼠肝臟和腎臟EPO基因的相對表達量隨海拔升高而顯著增加。藏豬EPO基因表達量顯著高于低海拔地區(qū)的豬。在犬中，有研究報道，海拔2 300 m的犬來到海拔3 500 m時， EPO的水平顯著升高。目前在犬上對于EPO和高原適應(yīng)性之間的研究還僅限于生理改變上的描述，對于其基因的研究并沒有深入。

3.4 血紅蛋白β基因(HBB)

血紅蛋白由血紅素和珠蛋白結(jié)合而成，起著運輸氧氣和二氧化碳，維持血液酸堿平衡的作用。HBB基因編碼的β肽鏈組成的β珠蛋白是構(gòu)成血紅蛋白的重要組成因素。有研究報道，在氧氣從肺部輸送交換至全身各器官的過程中，HBB基因發(fā)揮了重要的作用。對安第斯蜂鳥和高原鹿鼠的研究表明，高原低氧環(huán)境會使血紅蛋白α和β鏈發(fā)生突變，影響血紅蛋白與氧的親和力，進而影響對氧氣的利用效率。有學(xué)者采用了全基因組深度測序的方法，在不同海拔犬類的基因組中鑒定到高度分化的區(qū)域，其中就包括HBB基因。高原犬HBB基因中有兩個非同義突變，擴展實驗證明，HBB的突變型等位基因頻率在高原犬中為86.4%，在低海拔犬中僅為17.7%，由此證明，HBB基因在高原犬的低氧適應(yīng)過程中至關(guān)重要。

3.5 Sirtuin7(SIRT7)

SIRT7是Sirtuins蛋白家族(組蛋白去乙酰化酶類)中的一員，主要定位于核仁，是RNA聚合酶I復(fù)合物的一部分，對特定底物具有脫乙酰化物酶的活性，可通過多種途徑進行調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、蛋白合成以及細胞應(yīng)激等過程。此外，SIRT7還參與相關(guān)疾病的進程。SIRT7缺失的小鼠會導(dǎo)致p53高乙?；瑥亩鴮?dǎo)致心肌肥大和炎癥性心肌病。有研究報道，SIRT7在有或無催化活性的條件下都能下調(diào)HIF，SIRT7通過羥基化作用于HIF介導(dǎo)的蛋白質(zhì)。相反，低水平的SIRT7能夠增加HIF的表達和轉(zhuǎn)錄活性。通過對高原犬的基因組圖譜分析發(fā)現(xiàn)，SIRT7是與犬高原適應(yīng)性相關(guān)的候選基因，但其具體的功能還需進一步深入研究。

4 小結(jié)

目前，我國高原地區(qū)對于警犬的需求日趨強烈，對犬低氧適應(yīng)機制的研究有助于為有高原反應(yīng)的犬提供合理有效的治療方法，同時，也能為培育適應(yīng)高原低氧環(huán)境的犬提供理論依據(jù)。鑒于目前對高原犬低氧適應(yīng)機制的研究不夠深入的情況，研究者們應(yīng)整合目前所發(fā)現(xiàn)的所有犬高原適應(yīng)性研究的相關(guān)基因的分子機制和生理基礎(chǔ)，將研究重心放在這些基因的變異是否有助于改善犬的高原反應(yīng)上。同時，利用現(xiàn)代分子生物學(xué)的方法，探索和驗證相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。相信隨著研究的進一步深入，更多犬高原低氧相關(guān)基因及其作用機制將被發(fā)現(xiàn)，這將為培育適應(yīng)高原低氧環(huán)境的犬的研究提供目標基因，對警犬事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。