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冠海豹具有卓越的潜水技能,一次能在水下停留长达一小时。Mariana Hoff和Andrej Fabrizius讨论了他们最近发表在BMC Genomics上的研究,探讨冠海豹大脑中令它们能够在如此长时间内没有氧气情况下活动的分子适应性。

原文作者:Mariana Leivas Müller Hoff和Andrej Fabrizius

对于大多数在陆地生活的哺乳动物而言,缺氧通常在几分钟内对大脑造成不可逆的损伤。发生这种情况的原因之一是因为这种高度活跃的组织不能应对氧气缺乏(也称为缺氧)情况下能量产生和需求之间的失衡。另一方面,鲸鱼和海豹等潜水哺乳动物的大脑可以在潜水造成的反复和长期缺氧期间存活而不受损伤。

在某种程度上,这种大脑耐受性归因于行为、结构以及生理上潜水适应性的结合,诸如心率降低和外周血管收缩。潜水适应性在行为学、解剖学和生理学上的综合因素,例如的。对潜水哺乳动物大脑中的细胞和分子适应性的研究更少,而正是这种适应性可能导致了它们的缺氧耐受性。

来源于冠海豹(Cystophora cristata)大脑切片电生理学研究的证据支持细胞和分子机制确实发挥作用的观点。这种海豹非常擅长潜水,记录的潜水可长达1小时,深度超过1000米。当面临体外缺氧时,这种北极海豹的神经元保持了长时间的活性,而小鼠神经元则立即死亡。

在我们的文章中,我们用RNA测序(RNA-seq)探究了冠海豹的分子适应性。 我们首先获得了具有超过10,000个转录本的冠海豹视觉皮层的转录组。然后,将其mRNA水平与其陆生近亲属,雪貂,的视觉皮层中的mRNA水平进行比较。 我们发现海豹大脑中与能量代谢相关的基因的表达水平普遍降低。最重要的是,我们鉴别出两个潜在的候选基因在海豹大脑中具有异常高的表达水平,并因此可能导致了海豹不寻常的缺氧耐受性。

在海豹皮层中发现具有最高mRNA水平的是丛生蛋白(CLU),它是一种具有多种功能的伴侣蛋白。例如,CLU干扰BAX介导的凋亡通路,从而促进细胞存活。 海豹大脑中高水平的CLU可以解释为一种为了保护其免受与潜水相关的损伤的预适应或是潜水期间或之后的压力状况所产生的结果。

发现在冠海豹和雪貂大脑之间mRNA水平的最大差异是S100B,它在海豹大脑中高表达。S100B是一种Ca 2+结合应激蛋白,具有在大脑损伤和疾病期间调节细胞增殖和星形胶质细胞活化等功能。最有趣的是,对获得的大脑转录组的进一步比较分析显示,S100B的mRNA水平在小须鲸和弓头鲸中也较高,但在陆生哺乳动物中较低。因此,S100B似乎是一种常见的适应性机制的组成部分,在鲸和海豹中逐渐进化以在潜水期间氧气供应减少的情况下更好地存活。

然而,研究尚未止于此。这两种候选蛋白在潜水适应性中的功能必须进一步研究,因为,例如,S100B也可以促进癌症,CLU涉及几种人类神经退行性疾病并且与衰老相关。

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