藏羚羊STAT3、HIF-1α和HIF-2α基因表達(dá)的生物學(xué)意義.pdf

1、氧平衡狀態(tài)的維持是需氧生物生存的根本前提。青藏高原環(huán)境的低氧獨(dú)特性深刻影響著生物的分布、種群結(jié)構(gòu)、生存適應(yīng)和進(jìn)化模式。藏羚羊(Tibet anantelope,Pantholops hodgsonii)是青藏高原土著動物中最具運(yùn)動能力和低氧耐受能力的特有珍稀野生物種。該物種常年生活在海拔4300～5500m的高山草原、草甸和高寒荒漠地區(qū)，在生理、形態(tài)和基因水平上已獲得穩(wěn)定的低氧適應(yīng)性遺傳學(xué)特征，也形成了能夠在低氧環(huán)境中生存的獨(dú)特低氧適應(yīng)

2、機(jī)制。該機(jī)制的建立歸結(jié)于機(jī)體內(nèi)諸多抗低氧基因的表達(dá)水平發(fā)生了可調(diào)節(jié)性改變。在眾多的抗低氧基因中，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)、低氧誘導(dǎo)因子-l(hypoxia inducible factor-l，HIF-l)、低氧誘導(dǎo)因子-2(hypoxia inducible factor-2，HIF-2)是氧信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的核心轉(zhuǎn)錄因子，

3、它們對于調(diào)節(jié)細(xì)胞低氧適應(yīng)性反應(yīng)、維持機(jī)體氧平衡狀態(tài)和能量平衡狀態(tài)起著關(guān)鍵性作用。
　　STAT3是整合多種信號通路的關(guān)鍵性信號級聯(lián)成分，具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活的功能。它可調(diào)控血管新生、能量代謝、細(xì)胞生長、存活與凋亡等途徑中多種低氧反應(yīng)性基因的表達(dá)，其中hif-1是STAT3的重要下游靶基因。HIF-1是關(guān)鍵性氧依賴轉(zhuǎn)錄激活因子。它通過誘導(dǎo)糖代謝、血管新生、紅細(xì)胞生成、氧攝取及運(yùn)輸?shù)韧緩街斜姸嗟脱醴磻?yīng)性基因的表達(dá)，參與細(xì)胞內(nèi)氧平衡狀

4、態(tài)的調(diào)節(jié)。HIF-2也是重要的氧依賴轉(zhuǎn)錄激活因子。同作為低氧誘導(dǎo)因子(hypoxia inducible factors,HIFs)家族成員，HIF-1和HIF-2均由氧調(diào)節(jié)亞基α和結(jié)構(gòu)亞基β組成，α亞基是調(diào)節(jié)HIF-1、HIF-2活性的功能亞單位。HIF-1α、HIF-2α的氨基酸序列有48％的同源性，有很相似的結(jié)構(gòu)域。HIF-1和HIF-2調(diào)節(jié)的下游靶基因既有重疊又各具特異性。HIF-2作用的靶基因主要涉及骨髓造血、血管生長、血管收

5、縮、能量代謝、兒茶酚胺合成和鐵代謝等方面。低氧條件下，HIF-1和HIF-2是以功能互補(bǔ)、協(xié)同作用的方式，促進(jìn)細(xì)胞對低氧的適應(yīng)調(diào)節(jié)，維持機(jī)體的氧平衡狀態(tài)?？梢姡琒TAT3、HIF-1、HIF-2作為氧信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的重要轉(zhuǎn)錄因子，對于調(diào)節(jié)細(xì)胞低氧適應(yīng)性反應(yīng)起重要作用。我們推測上述三因子可能在藏羚羊的高原低氧適應(yīng)機(jī)制中也扮演重要角色。但是藏羚羊stat3、hif-1α、hif-2αcDNA的克隆及組織表達(dá)特征鮮為報道，這一部分卻是藏羚羊低氧

6、適應(yīng)分子機(jī)制研究中的重要內(nèi)容，故本研究以高海拔藏羚羊和藏系綿羊及低海拔綿羊?yàn)椴牧戏治隽藄tat3、hif-1α、hif-2α的組織表達(dá)情況和低氧適應(yīng)性差異，進(jìn)而揭示藏羚羊在自然生活條件下stat3、hif-1α、hif-2α基因的表達(dá)特征及其對該物種生存適應(yīng)的生理意義。
　　本研究以高海拔藏羚羊、藏系綿羊和低海拔綿羊?yàn)椴牧?，采用RT-PCR、3′，5′RACEPCR擴(kuò)增分別獲得藏羚羊stat3、hif-1α的cDNA克隆以及hif

7、-2α的部分編碼區(qū)序列，利用Real-time PCR和Western blot方法分析了藏羚羊、藏系綿羊和低海拔綿羊stat3、hif-1α、hif-2α的mRNA及蛋白的組織表達(dá)情況和低氧適應(yīng)性差異。主要研究結(jié)果如下：
　　1)序列分析結(jié)果顯示，(a)藏羚羊stat3基因的cDNA序列為4288bp，包含2312bp的開放閱讀框、29bp的5′UTR區(qū)和1947bp的3′UTR區(qū)。它的編碼區(qū)序列和預(yù)測的氨基酸序列與其它哺乳動物

8、stat3的相似性超過86%，其中與牛相似性最高，達(dá)到98%以上。(b)藏羚羊hif-1α基因的cDNA序列為3664bp，包含2471bp的開放閱讀框和1191bp的3′UTR區(qū)，它的編碼區(qū)序列和預(yù)測的氨基酸序列與其它哺乳動物hif-1α的相似性超過87%，其中與牛相似性最高，達(dá)到98%以上。(c)藏羚羊hif-2α基因的部分編碼區(qū)序列為515bp，它的核苷酸序列與其它哺乳動物hif-2α的相似性為88%～97%左右，其中與牛的HIF

9、-2α序列相似性最高。上述結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)獲得藏羚羊stat3、hif-1α基因的cDNA序列和hif-2α基因的部分編碼區(qū)序列。
　　2)Real-time PCR和Western blot結(jié)果顯示，(a)無論是mRNA水平還是蛋白水平，藏羚羊stat3、hif-1α、hif-2α在肺、肝、腎、心肌、骨骼肌組織中均有明顯表達(dá)，且存在表達(dá)的組織差異性。與低海拔綿羊相比較，藏羚羊和藏系綿羊STAT3、HIF-1α、HIF-2α的蛋白表

10、達(dá)量在上述五種組織中呈明顯增高趨勢。(b)以低海拔綿羊?yàn)閷φ?，藏羚羊、藏系綿羊stat3、hif-1α、hif-2αmRNA的表達(dá)變化趨勢并不一致。藏羚羊stat3、hif-1α、hif-2αmRNA在上述五種組織中的表達(dá)量均高于低海拔綿羊。藏系綿羊stat3、hif-1α、hif-2αmRNA的表達(dá)量在五種組織中的變化趨勢各具特點(diǎn)，其中骨骼肌組織中各因子的mRNA表達(dá)量無明顯差異。推測stat3、hif-1α、hif-2α的低氧特異性