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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

動(dòng)物所發(fā)現(xiàn)鳥(niǎo)類葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因的丟失與功能補(bǔ)償

2020-11-06 動(dòng)物研究所

【字體：大中小】

語(yǔ)音播報(bào)

　　中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所科研人員基于155個(gè)物種的1400多條葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC2序列，構(gòu)建出系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，并在脊椎動(dòng)物中鑒定到20種SLC2基因，其中在非哺乳類脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)6個(gè)新基因。20種基因被分為4大類，其中Ⅰ類包含15個(gè)SLC2基因，Ⅱ與Ⅲ類分別有兩個(gè)SLC2基因，Ⅳ類僅一個(gè)。研究發(fā)現(xiàn)，Ⅰ-Ⅲ類基因分別在被囊類與脊椎動(dòng)物分化過(guò)程中發(fā)生復(fù)制，可能與脊椎動(dòng)物全基因組復(fù)制事件有關(guān)。同時(shí)，SLC2基因在脊椎動(dòng)物類群中發(fā)生不同程度的丟失。新起源的SLC2基因較古老基因更易丟失，且基因丟失與鳥(niǎo)類染色體重排有關(guān)。

　　SLC2A4基因在胰島素誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)中具有重要作用。然而，鳥(niǎo)類卻丟失了該基因，因此大多數(shù)研究認(rèn)為SLC2A4基因丟失可能是造成鳥(niǎo)類高血糖的重要因素。鳥(niǎo)類與哺乳類分別演化出較高代謝率與恒定體溫，而糖類是維持基礎(chǔ)代謝與體溫的能量來(lái)源。研究通過(guò)對(duì)不同脊椎動(dòng)物類群SLC2基因選擇分析，發(fā)現(xiàn)哺乳類SLC2A4與鳥(niǎo)類SLC2A12受到類似較強(qiáng)的正選擇，且受正選擇位點(diǎn)均位于N端結(jié)構(gòu)域。同時(shí)，SLC2A12在恒溫動(dòng)物中受到的選擇壓力與質(zhì)量特異性代謝率有關(guān)。因此，哺乳類SLC2A4與鳥(niǎo)類SLC2A12基因可能在功能上具有相似性。

　　基于此，研究人員對(duì)青藏高原兩種雪雀以及不同高低海拔樹(shù)麻雀種群開(kāi)展深入研究。通過(guò)對(duì)野外生理組學(xué)數(shù)據(jù)分析，研究發(fā)現(xiàn)高原樹(shù)麻雀與雪雀通過(guò)提高胰島素敏感性促進(jìn)糖類代謝，以適應(yīng)高海拔低氧生存，而SLC2A12高表達(dá)與非同義突變可能與胰島素敏感性和低血糖有關(guān)。通過(guò)RNA干擾實(shí)驗(yàn)，研究進(jìn)一步驗(yàn)證了降低SLC2A12表達(dá)會(huì)誘導(dǎo)樹(shù)麻雀高血糖、胰島素抵抗、高活動(dòng)量與能量代謝等類似糖尿病的癥狀。鳥(niǎo)類SLC2A12基因在一定程度上為SLC2A4的丟失提供了生化補(bǔ)償，且該基因會(huì)影響鳥(niǎo)類基礎(chǔ)代謝和行為活動(dòng)。

　　通過(guò)結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育、生理組學(xué)數(shù)據(jù)分析與RNAi功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法，研究證實(shí)了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族中古老的同源多拷貝基因具有更多的功能多樣性，并為鳥(niǎo)類重要基因丟失提供生化補(bǔ)償，同時(shí)在鳥(niǎo)類對(duì)極端環(huán)境適應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

　　11月3日，相關(guān)研究成果以SLC2A12 of SLC2 gene family in bird provides functional compensation for the loss of SLC2A4 gene in other vertebrates為題，在線發(fā)表在Molecular Biology and Evolution上。動(dòng)物所博士研究生熊鷹為論文第一作者，研究員雷富民為論文通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察項(xiàng)目以及新疆第三次綜合科學(xué)考察典型區(qū)域預(yù)調(diào)查項(xiàng)目的資助。

　　論文鏈接

圖1.哺乳類SLC2A4與鳥(niǎo)類SLC2A12同線性與自然選擇分析

圖2.干擾SLC2A12基因表達(dá)影響鳥(niǎo)類胰島素應(yīng)答與生理代謝

　　研究表明，鳥(niǎo)類丟失了許多在其他脊椎動(dòng)物中保守的功能基因。人類與小鼠缺失這些功能基因通常會(huì)致死或致病，而鳥(niǎo)類并不表現(xiàn)出相應(yīng)病癥。因此，探索鳥(niǎo)類如何應(yīng)對(duì)基因缺失引起的生化與生理功能喪失，對(duì)理解鳥(niǎo)類適應(yīng)進(jìn)化與人類疾病具有重要意義。目前，此方面有兩種假說(shuō)：一是功能基因缺失與鳥(niǎo)類特化性狀有關(guān)，如丟失UCP1和KIRREL2基因可能造成鳥(niǎo)類非顫抖性產(chǎn)熱丟失和低腎小球?yàn)V過(guò)率；二是近緣基因或同源多拷貝基因可能為丟失基因提供功能補(bǔ)償。迄今為止，尚未有很好的證據(jù)予以支持。
　　中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所科研人員基于155個(gè)物種的1400多條葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SLC2序列，構(gòu)建出系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)，并在脊椎動(dòng)物中鑒定到20種SLC2基因，其中在非哺乳類脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)6個(gè)新基因。20種基因被分為4大類，其中Ⅰ類包含15個(gè)SLC2基因，Ⅱ與Ⅲ類分別有兩個(gè)SLC2基因，Ⅳ類僅一個(gè)。研究發(fā)現(xiàn)，Ⅰ-Ⅲ類基因分別在被囊類與脊椎動(dòng)物分化過(guò)程中發(fā)生復(fù)制，可能與脊椎動(dòng)物全基因組復(fù)制事件有關(guān)。同時(shí)，SLC2基因在脊椎動(dòng)物類群中發(fā)生不同程度的丟失。新起源的SLC2基因較古老基因更易丟失，且基因丟失與鳥(niǎo)類染色體重排有關(guān)。
　　SLC2A4基因在胰島素誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)中具有重要作用。然而，鳥(niǎo)類卻丟失了該基因，因此大多數(shù)研究認(rèn)為SLC2A4基因丟失可能是造成鳥(niǎo)類高血糖的重要因素。鳥(niǎo)類與哺乳類分別演化出較高代謝率與恒定體溫，而糖類是維持基礎(chǔ)代謝與體溫的能量來(lái)源。研究通過(guò)對(duì)不同脊椎動(dòng)物類群SLC2基因選擇分析，發(fā)現(xiàn)哺乳類SLC2A4與鳥(niǎo)類SLC2A12受到類似較強(qiáng)的正選擇，且受正選擇位點(diǎn)均位于N端結(jié)構(gòu)域。同時(shí)，SLC2A12在恒溫動(dòng)物中受到的選擇壓力與質(zhì)量特異性代謝率有關(guān)。因此，哺乳類SLC2A4與鳥(niǎo)類SLC2A12基因可能在功能上具有相似性。
　　基于此，研究人員對(duì)青藏高原兩種雪雀以及不同高低海拔樹(shù)麻雀種群開(kāi)展深入研究。通過(guò)對(duì)野外生理組學(xué)數(shù)據(jù)分析，研究發(fā)現(xiàn)高原樹(shù)麻雀與雪雀通過(guò)提高胰島素敏感性促進(jìn)糖類代謝，以適應(yīng)高海拔低氧生存，而SLC2A12高表達(dá)與非同義突變可能與胰島素敏感性和低血糖有關(guān)。通過(guò)RNA干擾實(shí)驗(yàn)，研究進(jìn)一步驗(yàn)證了降低SLC2A12表達(dá)會(huì)誘導(dǎo)樹(shù)麻雀高血糖、胰島素抵抗、高活動(dòng)量與能量代謝等類似糖尿病的癥狀。鳥(niǎo)類SLC2A12基因在一定程度上為SLC2A4的丟失提供了生化補(bǔ)償，且該基因會(huì)影響鳥(niǎo)類基礎(chǔ)代謝和行為活動(dòng)。
　　通過(guò)結(jié)合系統(tǒng)發(fā)育、生理組學(xué)數(shù)據(jù)分析與RNAi功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法，研究證實(shí)了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族中古老的同源多拷貝基因具有更多的功能多樣性，并為鳥(niǎo)類重要基因丟失提供生化補(bǔ)償，同時(shí)在鳥(niǎo)類對(duì)極端環(huán)境適應(yīng)中發(fā)揮重要作用。
　　11月3日，相關(guān)研究成果以SLC2A12 of SLC2 gene family in bird provides functional compensation for the loss of SLC2A4 gene in other vertebrates為題，在線發(fā)表在Molecular Biology and Evolution上。動(dòng)物所博士研究生熊鷹為論文第一作者，研究員雷富民為論文通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）、第二次青藏高原綜合科學(xué)考察項(xiàng)目以及新疆第三次綜合科學(xué)考察典型區(qū)域預(yù)調(diào)查項(xiàng)目的資助。
　　論文鏈接
　　圖1.哺乳類SLC2A4與鳥(niǎo)類SLC2A12同線性與自然選擇分析
　　圖2.干擾SLC2A12基因表達(dá)影響鳥(niǎo)類胰島素應(yīng)答與生理代謝
　　

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