多倫多大學(xué)(U of T)的細(xì)胞生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使溫度發(fā)生極端變化，動(dòng)物也能適應(yīng)它們的能力。研究人員深入研究了生活在安第斯山脈海拔近3公里的冷水溪中的鯰魚(yú)的眼睛，以了解如何。他們的研究結(jié)果發(fā)表于今天的“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”。

當(dāng)視網(wǎng)膜中的幾種化學(xué)蛋白被激活時(shí)，視覺(jué)開(kāi)始。它是一個(gè)關(guān)鍵的感官系統(tǒng)，使生物體能夠適應(yīng)他們的環(huán)境，就像虎鯨如何提高他們?cè)谥饕撬{(lán)色的光線下看水下的能力。在研究冷溫對(duì)安第斯鯰魚(yú)棲息地的影響時(shí)，由T進(jìn)化生物學(xué)家Belinda Chang領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研究了一種叫做視紫紅質(zhì)的蛋白質(zhì)在昏暗的光線下的作用。

他們發(fā)現(xiàn)視紫紅質(zhì)也具有另一種功能：它可以加速生活在最高 - 最寒冷 - 海拔的魚(yú)類(lèi)中的視覺(jué)速度。

“當(dāng)我們考慮對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，光線和顏色通常是首先浮現(xiàn)在腦海中的變量，”在T of U的生態(tài)學(xué)與進(jìn)化生物學(xué)和細(xì)胞與系統(tǒng)生物學(xué)系教授Chang說(shuō)。“這些結(jié)果為復(fù)雜的生物過(guò)程如何適應(yīng)極端環(huán)境的問(wèn)題增加一個(gè)新的維度。“

視力對(duì)這些夜行動(dòng)物的生存至關(guān)重要。在高海拔魚(yú)類(lèi)中，涉及蛋白質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速率發(fā)生了變化。為了補(bǔ)償環(huán)境溫度的降低，動(dòng)能速率加快。

科學(xué)家解釋說(shuō)，這一發(fā)現(xiàn)支持了代謝酶的既定趨勢(shì)，代謝酶也顯示出響應(yīng)寒冷環(huán)境的加速動(dòng)力學(xué)速率。在溫血?jiǎng)游锏娜祟?lèi)中，身體必須通過(guò)增加新陳代謝和動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)(如顫抖)產(chǎn)生熱量來(lái)彌補(bǔ)極度寒冷。

“寒冷的氣溫會(huì)降低生化反應(yīng)的速度，”主要作者Gianni Castiglione說(shuō)道，他是博士前學(xué)生，現(xiàn)任Chang研究團(tuán)隊(duì)的博士后研究員。“幾十年來(lái)我們都知道溫度會(huì)影響視力，但我們從未完全了解進(jìn)化是否或如何在分子水平上對(duì)此進(jìn)行調(diào)整。”

該團(tuán)隊(duì)的假設(shè)是，通過(guò)使用分析動(dòng)物DNA模式的計(jì)算機(jī)模型來(lái)追蹤進(jìn)化指紋，他們可以理解冷適應(yīng)如何在復(fù)雜的感官蛋白如視紫紅質(zhì)中進(jìn)行。

“我們發(fā)現(xiàn)自然選擇的目標(biāo)是控制動(dòng)力學(xué)速率的兩個(gè)蛋白質(zhì)區(qū)段。這表明進(jìn)化已利用視紫紅質(zhì)生物化學(xué)作為改變其在高海拔地區(qū)的功能的一種方式，”Castiglione說(shuō)。

為了驗(yàn)證這一假設(shè)，研究人員操縱了多倫多斯卡伯勒大學(xué)生物科學(xué)系Nathan Lujan先前收集的幾種魚(yú)類(lèi)的DNA。他們?cè)谝曌霞t質(zhì)蛋白中產(chǎn)生了突變，交換了低海拔標(biāo)本中存在的氨基酸，并在高海拔品種中發(fā)現(xiàn)了罕見(jiàn)的變種。這就是他們?nèi)绾巫C實(shí)高海拔突變雖然對(duì)視紫紅質(zhì)的光和顏色相關(guān)功能的影響有限，但顯著加速了決定冷血?jiǎng)游镆曈X(jué)表現(xiàn)的蛋白質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特性。

“從本質(zhì)上講，我們正在調(diào)查科學(xué)家通常不研究的非模式生物，這可能是解決進(jìn)化生物學(xué)中重要問(wèn)題的有效方法，”共同作者和博士候選人Frances Hauser說(shuō)。“我們的研究結(jié)果表明，在研究復(fù)雜蛋白質(zhì)的進(jìn)化時(shí)，應(yīng)考慮多種環(huán)境影響”。

在視紫紅質(zhì)中證明這種趨勢(shì)的重要性在于蛋白質(zhì)本身代表了一個(gè)巨大的其他蛋白質(zhì)家族，其在整個(gè)動(dòng)物體內(nèi)具有相似的重要功能。該組稱(chēng)為G蛋白偶聯(lián)受體，也是目前人類(lèi)疾病治療中最大和最重要的藥物靶點(diǎn)之一。因此，他們的方法和發(fā)現(xiàn)也可能有助于更好地理解基因突變?nèi)绾螌?dǎo)致人類(lèi)疾病。

“這一點(diǎn)特別有趣的是，自然選擇通過(guò)間接影響通常在突變時(shí)引起人類(lèi)疾病的結(jié)構(gòu)區(qū)域來(lái)修飾蛋白質(zhì)功能，”Chang說(shuō)。“由于高海拔突變位于這些區(qū)域的外圍，它們不是立即明顯的自然選擇目標(biāo)，我們需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)它們對(duì)蛋白質(zhì)功能的影響。

“我們對(duì)蛋白質(zhì)科學(xué)的跨學(xué)科研究方法依賴(lài)于進(jìn)化的線索，揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的新方面，難以用傳統(tǒng)方法發(fā)現(xiàn)。”