大熊猫为什么不爱运动?魏辅文院士发现潜在原因

2021-07-20 20:45:09 iNature前沿

大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)是原产于中国的标志性熊,以几乎只吃竹子而闻名。食肉动物的这种不寻常的饮食行为是由几个关键的适应导致的,包括低体力活动、器官大小减少和甲状腺功能减退症导致能量消耗降低。这些适应性表型被假设是由参与甲状腺激素合成的双氧化酶 2 (DUOX2) 基因中的熊猫独特的单核苷酸突变引起的。

2021年7月15日,中国科学院动物研究所魏辅文及中国科学院遗传与发育生物学研究所John R Speakman共同通讯在National Science Review 在线发表题为“A single nucleotide mutation in the dual-oxidase 2 (DUOX2) gene causes some of the panda's unique metabolic phenotypes ”的研究论文,该研究创建了基因组编辑小鼠,这些小鼠携带与熊猫相同的点突变(DUOX2A625T/A625T),并研究了其对代谢表型的影响。

纯合子小鼠比杂合子和野生型小 27%,体重调整后食物摄入量降低 13%,体力活动减少 55%,肾脏(11%)和大脑(5%)质量降低,血清甲状腺素降低( T4:36%),绝对值 (12%) 和质量调整 (5%) 每日能量消耗减少,肠道微生物群改变。补充T4逆转了突变的影响。这项工作使用基因组编辑方法来证明关键内分泌相关基因中的单核苷酸突变导致代谢表型发生深刻适应性变化之间的联系,这在生态学和进化中具有重要意义。

生态学的一个关键目标是了解构成代谢表型及其生态后果的因素,也称为生态学的代谢理论。进化生态学中的一个平行关键目标是了解基因突变如何构建表型,然后在给定环境中选择该表型。然而,将代谢表型的差异与潜在的遗传变化联系起来具有挑战性。大多数推论主要来自单独的表型或遗传数据,但研究很少调查分子进化与表型性状适应性变化之间的关联。单个基因的变化与结构和功能表型变化之间的联系很难通过实验证明,尤其是在大型受保护动物物种中。参与内分泌功能的关键基因的突变会产生主要的表型影响。然而,此类突变在物种生态和进化中的作用尚不清楚。

大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)是标志性的野生保护动物,具有独特的生物学特征。大熊猫几乎完全以竹子为食,竹子的营养价值很低。以这种资源为食是唯一可能的,因为适应性已经大大减少了熊猫的能量需求,从而减少了食物摄入需求。这种低代谢是通过极低水平的体力活动实现的。在自然界中,大熊猫通常每天移动的距离小于 500 m,并且大约 40% 的时间都在休息。

此外,与其他大型哺乳动物相比,大熊猫的大脑、肾脏和肝脏更小,这也可能导致它们的代谢率低。此外,大熊猫的甲状腺激素 (T4) 和三碘甲腺原氨酸 (T3) 水平较低,平均分别约为类似大小哺乳动物的预期水平的 50% 和 60%。大熊猫不寻常的代谢表型的这些方面被假设源于 DUOX2 基因中独特的单核苷酸突变,而其他食肉动物、小鼠和人类不存在这种突变。在大熊猫中,突变涉及将 C 替换为 T,从而在 DUOX2 基因的第 16 个外显子中产生一个精氨酸到终止密码子。尚不清楚这种提前终止密码子是否导致基因不翻译,或者是否产生了可能具有生物学功能的蛋白质的截短版本。

DUOX2 编码一种参与甲状腺激素合成关键步骤的蛋白质。先前在小鼠和人类 中发现的一些 DUOX2 突变或其成熟因子 DUOXA 与甲状腺肿、侏儒症和先天性甲状腺功能减退症有关。更一般地说,甲状腺激素水平与代谢率和身体活动的变化有关。DUOX2 还参与消化道和呼吸道的抗菌防御。然而,单核苷酸熊猫特异性突变的表型后果仍然未知。潜在地,DUOX2 突变可能影响生理学的各个方面,特别是代谢特征,然后将参与塑造熊猫生态的广泛方面,包括竹子饮食、行为、繁殖和地理分布。

该研究旨在检验以下假设,即大熊猫异常代谢表型的各个方面可以追溯到 DUOX2 基因中的单碱基对突变。为了鉴定熊猫特异性突变在这个野生物种中的影响,该研究使用了一种基因工程(CrispR-cas9)小鼠模型,该模型携带与在大熊猫中发现的相同的突变,即将 C 替换为 T,小鼠DUOX2 基因第 15 个外显子中625位精氨酸转化为终止密码子。

该研究调查了生长速度和与能量平衡相关的特征,例如代谢率、自发性身体活动和食物消耗、身体成分、能量同化、水消耗、重要器官的质量以及甲状腺激素的循环水平和粪便微生物群的组成。该研究进一步证明了这种突变的表型后果并非源于微生物群的变化,并且可以通过补充外源性 T4 来逆转。

该研究发现纯合子小鼠比杂合子和野生型小 27%,体重调整后食物摄入量降低 13%,体力活动减少 55%,肾脏(11%)和大脑(5%)质量降低,血清甲状腺素降低( T4:36%),绝对值 (12%) 和质量调整 (5%) 每日能量消耗减少,肠道微生物群改变。补充T4逆转了突变的影响。这项工作使用基因组编辑方法来证明关键内分泌相关基因中的单核苷酸突变导致代谢表型发生深刻适应性变化之间的联系,这在生态学和进化中具有重要意义。

参考消息:

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab125/6321853

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