人群环境适应遗传机制研究获进展

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现代人在20至30万年前起源于非洲,大约于7.5万年前走出非洲并随后扩散到世界各地。我们的非洲祖先从一个靠近赤道的热带环境迁徙到高纬度的亚热带及寒带环境会面临多种新的环境条件,例如紫外辐射的减弱及冬季气候变冷等。这些环境条件的变化会对人类的基因组产生新的选择压力从而导致新的生理和表型适应。

人类如何适应高原极端低氧环境是目前人类适应性进化研究的热点问题。藏族人群是研究人类高海拔低氧环境遗传适应机制的一个良好范本。作为一种复杂的适应性性状,在遗传上高原低氧适应可能是多基因互作的结果。通过比较生活在高海拔的藏族群体和低海拔的汉族群体,人们已经发现了多个存在等位基因频率差异的候选基因(如EPAS1和EGLN1)。在这些候选基因中,HMOX2 由于参与血红素的代谢,因此可能在藏族人群的低氧适应(如血红蛋白水平的调控等)中发挥作用。

尽管其重要性很重要,但适应性过程的遗传结构仍未得到很好的解决。现在,一群研究果蝇的研究人员成功解决了这个难题的至少一部分。他们能够证明许多基因可以促进适应,即使实际上只使用了其中一些基因(遗传冗余)。不仅因为气候变化对了解人口如何适应新的环境条件具有极大的兴趣。科学家认为大多数适应性涉及大量不同的基因,但大多数分子特征的适应性仅基于一个或几个基因。这种差异一直是许多猜想的根源,但基本上没有得到解决。

不仅因为气候变化对了解人口如何适应新的环境条件具有极大的兴趣。科学家认为大多数适应性涉及大量不同的基因,但大多数分子特征的适应性仅基于一个或几个基因。这种差异一直是许多猜想的根源,但基本上没有得到解决。

人群肤色的差异是对紫外辐射强弱变化最有代表性的适应表型。总体来看,生活在赤道附近的人群肤色较深,而生活在高纬度地区的人群肤色较浅。以前的研究已经发现了多个控制人群肤色变化的基因及其适应性的突变。例如,中国科学院昆明动物研究所宿兵实验室在2016年报道了色素调控基因78bifa.com ,OCA2在东亚人群中导致肤色变浅的一个适应性突变(Yang等,Molecular Biology and Evolution 2016 33:1177-1187)。然而,纬度的变化除了导致紫外辐射强度的改变还会导致温度的变化,特别是冬季气候的变化。宿兵实验室在2009年曾经报道了P53基因的一个功能性突变导致人群对高纬度冬季寒冷气候的适应(Shi等,American Journal of Human Genetics 2009 84:1-8)。紫外辐射与气温是随纬度变化同时变化的环境因子,在遗传上是否存在同时导致对这两种环境因子变化适应的基因呢?

为了进一步研究HMOX2 基因对藏族高原适应的功能效应,中国科学院昆明动物研究所研究员宿兵实验室对来源于青藏高原不同地理群体的47个代表性藏族个体的HMOX2 基因序列进行了重测序。研究人员发现位于HMOX2 基因一号内含子上的序列多态位点rs4786504在藏族群体和包括汉族在内的世界其他群体之间存在较明显的等位基因频率差异。中性检验的结果也证明该位点的HMOX2 基因区域在藏族人群中受到了明显的达尔文正选择的作用。接下来研究人员在两个独立的藏族群体(共1,250个个体)中对HMOX2 基因进行了遗传相关性分析,发现rs4786504与藏族高原适应的表型之一血红蛋白浓度显著相关。体外功能实验进一步表明,当多态位点rs4786504为适应型C等位基因时,对应的HMOX2 表达量增加,从而可能加速体内多余血红素的代谢,有利于藏族在高海拔条件下保持相对较低的血红蛋白水平,以避免红细胞过度增殖带来的负效应。该研究的多个证据表明HMOX2 基因可以调节低氧代谢通路下游血红蛋白的代谢,实现藏族人群对高原低氧环境的遗传适应。

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