飛蝗。受訪者供圖

氧氣對于幾乎所有動物的生命活動都至關(guān)重要。動物已經(jīng)進化出復(fù)雜的呼吸系統(tǒng)，可以有效地將氧氣輸送到身體的每個部位。盡管如此，當(dāng)新陳代謝需求超過供應(yīng)時，偶爾會發(fā)生氧氣短缺。

低氧誘導(dǎo)因子（Hif）被認(rèn)為是生物體中幫助細(xì)胞適應(yīng)低氧環(huán)境的核心蛋白。然而，最近中國科學(xué)院動物研究所研究員康樂院士團隊在研究飛蝗飛行過程時意外發(fā)現(xiàn)，Hif家族中有一個另類成員，它不僅不參與低氧響應(yīng)，反而在正常氧量環(huán)境下有很活躍的反應(yīng)。

(資料圖片僅供參考)

研究人員將這種特殊的蛋白命名為Hif-1α2，認(rèn)為它對蝗蟲實現(xiàn)長時間飛行至關(guān)重要。8月30日，相關(guān)研究成果發(fā)表在國際生物學(xué)期刊eLife上，并被作為亮點文章推薦。

反常與困惑

在氧氣缺乏時，會發(fā)生怎樣的生理變化和代謝反應(yīng)？長期以來，很多科學(xué)家對動物細(xì)胞感知氧氣變化的分子開關(guān)進行了大量研究。

1991年人們發(fā)現(xiàn)一種特定的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合物，其會隨著氧氣濃度的變化發(fā)生相應(yīng)的改變，這個蛋白質(zhì)被命名為“低氧誘導(dǎo)因子”（Hif）。

2019年，諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎頒發(fā)給了兩位美國和一位英國科學(xué)家，以表彰他們在Hif的發(fā)現(xiàn)及其調(diào)節(jié)低氧適應(yīng)的功能。同時，這個發(fā)現(xiàn)也為貧血、癌癥和許多其他疾病引起的局部缺氧的研究和治療提供有用的線索和新的治療思路。

基于前期的研究積累，人們普遍認(rèn)為，只有當(dāng)生物體處于缺氧環(huán)境，或組織和細(xì)胞等處于缺氧微環(huán)境時，Hif通路才能被激活，而在正常氧含量下Hif通路處于抑制狀態(tài)。

四年前，康樂團隊年輕人、此次論文的第一作者丁玎在西藏高海拔地區(qū)，用分子生物學(xué)手段研究飛蝗低氧適應(yīng)問題的，與所有研究低氧適應(yīng)問題的科學(xué)家一樣，Hif是他研究中繞不開的蛋白質(zhì)。

飛蝗是一種每天可以飛行數(shù)百公里的農(nóng)業(yè)害蟲。長途飛行時，飛蝗消耗的氧氣是休息時的 30-150 倍。對于很多昆蟲生物學(xué)研究的實驗室來說，果蠅是最基礎(chǔ)的模式昆蟲，但這個實驗團隊卻不同，他們是全球僅有的、以飛蝗作為模式昆蟲的實驗團隊。

他們先讓飛蝗飛行一段時間，然后取下飛蝗的飛行肌肉組織做蛋白質(zhì)分析。在飛蝗的飛行肌中，他們出現(xiàn)了兩種不同的Hif蛋白。于是，他們又在細(xì)胞層面分別研究這兩種蛋白的活性。很快，一個奇異的現(xiàn)象引發(fā)了丁玎的注意：一種Hif蛋白只在缺氧時中出現(xiàn)，而另一種Hif蛋白卻可以在有氧環(huán)境下穩(wěn)定存在。而且，他們還發(fā)現(xiàn)，飛蝗在常氧情況下飛行時，飛行肌中這種新的蛋白會急劇上升。

“Hif通路不是只有在低氧環(huán)境下才會被激活嗎？”丁玎有些困惑。

他聯(lián)想到了他們此前的另一項研究成果。那個成果發(fā)現(xiàn)，群居型飛蝗之所以能夠進行長距離遷飛，得益于其在飛行過程中能夠更好地維持代謝穩(wěn)態(tài)。

丁玎懷疑：“新的蛋白會不會是飛蝗飛行中代謝穩(wěn)態(tài)得以維持的原因？”

一系列問題激起了他和研究團隊繼續(xù)深挖下去的興趣。

有缺口的另類蛋白

他們分析了兩種性質(zhì)表現(xiàn)不同的蛋白后發(fā)現(xiàn)，可以在常氧情況下穩(wěn)定存在的Hif蛋白對應(yīng)的基因有一塊“缺口”。

Hif蛋白含有兩個亞基，α亞基和β亞基，其中低氧感知亞基為α亞基，被科學(xué)家稱為“Hif-1α”。 Hif-1α有兩個反式激活區(qū)（TAD），即N-TAD和C-TAD，C-TAD能發(fā)揮精細(xì)調(diào)整作用，N-TAD則為激活轉(zhuǎn)錄所必需。

與常規(guī)Hif-1α不同的是，新發(fā)現(xiàn)的蛋白缺失了C-TAD?？蒲袌F隊實驗發(fā)現(xiàn)，正是由于該結(jié)構(gòu)域的缺失，使新蛋白能夠在正常氧環(huán)境下維持較高的活性。

于是，他們把這種新的蛋白命名為“Hif-1α2”，將原先的Hif-1α稱為“Hif-1α1”。

通過大量實驗，他們還發(fā)現(xiàn)，Hif-1α2會直接轉(zhuǎn)錄激活靶標(biāo)基因DJ-1的表達。DJ-1所編碼的蛋白在動物體內(nèi)是一個關(guān)鍵的解毒和抗氧化酶，可以有效清除飛蝗飛行時飛行肌中積累的活性氧和其他有害代謝產(chǎn)物。

“與其他昆蟲不一樣，飛蝗特別能飛，一次能飛上百公里。飛蝗在長距離飛行時，會產(chǎn)生大量的有害物。而Hif-1α2受氧的激活來調(diào)節(jié)DJ-1的表達，從而避免有害代謝物的積累，使飛蝗能夠適應(yīng)長時間的有氧代謝過程。”論文通訊作者康樂說。

更重要的是，結(jié)構(gòu)類似于飛蝗Hif-1α2類型的Hif蛋白，也存在于其他動物中，特別是人類和鳥類，但是這種在常氧下能夠保持穩(wěn)定的Hif蛋白的生物學(xué)功能在此之前一直不清楚。

“本研究的意義在于擴展了人們對動物界中最核心的氧氣感知通路——Hif通路功能的認(rèn)識。這個發(fā)現(xiàn)表明，在生物體中Hif通路不僅僅調(diào)控低氧響應(yīng)，同時在需氧型生理過程中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。”康樂說。

“我們經(jīng)得住同行檢驗”

隨著研究的深入，研究團隊原先的困惑被一一揭開。他們把研究論文投給了國際生物學(xué)期刊eLife。

康樂介紹，當(dāng)時，這本雜志有一個不成文的規(guī)定，即在將論文送外審時，編輯會詢問作者是否愿意在預(yù)印本平臺BioRxiv上公開論文成果，只有作者確認(rèn)同意公開后，編輯才會將論文送外審。

康樂告訴《中國科學(xué)報》，論文在預(yù)印本平臺上留有討論欄，內(nèi)容也可以供編輯參考，而且，預(yù)印本平臺發(fā)出來之后，被其他做相同研究的同行看到之后，同行可能會停止他們的研究，如此一來，如果最后論文經(jīng)過外審正式刊發(fā)，論文就可以獲得更高的引用率，對期刊影響因子也帶來正面影響。

而對于投稿者來說，這樣做是有風(fēng)險的。“假如被拒稿了，就會非常被動。”康樂說。

但是，在收到編輯詢問是否在預(yù)印本上提前公開的郵件后，康樂卻欣然同意：“我們經(jīng)得住同行檢驗。”

最后，eLife的三位評審人全部同意發(fā)表。為此，eLife還邀請專家為論文撰寫了評述文章。

國際上同領(lǐng)域的著名教授Jiwon Shim在專評文章中指出，這項研究揭示了可變剪切的Hif的新功能。

“昆蟲是最早能夠飛行的動物，也許正是由于在長期進化過程中產(chǎn)生的Hif基因結(jié)構(gòu)的多樣性，以及在一些種類昆蟲中這種不依賴于低氧的Hif蛋白的出現(xiàn)，促成了現(xiàn)在昆蟲飛行能力和方式的多樣性。這項發(fā)現(xiàn)也為一些需要特定Hif蛋白參與的生物學(xué)過程，如動物胚胎發(fā)育和某些腫瘤形成等的研究提供了重要依據(jù)和線索。”Shim說。

康樂表示，下一步，研究團隊還將一方面橫向研究Hif-1α2在其他生物中的存在情況，另一方面縱向研究該蛋白的產(chǎn)生和活性調(diào)節(jié)機制。

Hif-1α2蛋白的特征及其作用原理。受訪者供圖

論文相關(guān)信息：

https://doi.org/10.7554/eLife.74554

https://doi.org/10.7554/eLife.82028

https://doi.org/10.1038/s41467-018-07529-8

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