多倫多大學(xué)(U of T)的細胞生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使溫度發(fā)生極端變化，動物也能適應(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“美國國家科學(xué)院院刊”。

當(dāng)視網(wǎng)膜中的幾種化學(xué)蛋白被激活時，視覺開始。它是一個關(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在主要是藍色的光線下看水下的能力。在研究冷溫對安第斯鯰魚棲息地的影響時，由T進化生物學(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 - 海拔的魚類中的視覺速度。

“當(dāng)我們考慮對視覺系統(tǒng)進行調(diào)整時，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)與進化生物學(xué)和細胞與系統(tǒng)生物學(xué)系教授Chang說。“這些結(jié)果為復(fù)雜的生物過程如何適應(yīng)極端環(huán)境的問題增加一個新的維度。“

視力對這些夜行動物的生存至關(guān)重要。在高海拔魚類中，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。為了補償環(huán)境溫度的降低，動能速率加快。

科學(xué)家解釋說，這一發(fā)現(xiàn)支持了代謝酶的既定趨勢，代謝酶也顯示出響應(yīng)寒冷環(huán)境的加速動力學(xué)速率。在溫血動物的人類中，身體必須通過增加新陳代謝和動態(tài)運動(如顫抖)產(chǎn)生熱量來彌補極度寒冷。

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

該團隊的假設(shè)是，通過使用分析動物DNA模式的計算機模型來追蹤進化指紋，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)中進行。

“我們發(fā)現(xiàn)自然選擇的目標是控制動力學(xué)速率的兩個蛋白質(zhì)區(qū)段。這表明進化已利用視紫紅質(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。

為了驗證這一假設(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先前收集的幾種魚類的DNA。他們在視紫紅質(zhì)蛋白中產(chǎn)生了突變，交換了低海拔標本中存在的氨基酸，并在高海拔品種中發(fā)現(xiàn)了罕見的變種。這就是他們?nèi)绾巫C實高海拔突變雖然對視紫紅質(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動物視覺表現(xiàn)的蛋白質(zhì)的動力學(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，這可能是解決進化生物學(xué)中重要問題的有效方法，”共同作者和博士候選人Frances Hauser說。“我們的研究結(jié)果表明，在研究復(fù)雜蛋白質(zhì)的進化時，應(yīng)考慮多種環(huán)境影響”。

在視紫紅質(zhì)中證明這種趨勢的重要性在于蛋白質(zhì)本身代表了一個巨大的其他蛋白質(zhì)家族，其在整個動物體內(nèi)具有相似的重要功能。該組稱為G蛋白偶聯(lián)受體，也是目前人類疾病治療中最大和最重要的藥物靶點之一。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)致人類疾病。

“這一點特別有趣的是，自然選擇通過間接影響通常在突變時引起人類疾病的結(jié)構(gòu)區(qū)域來修飾蛋白質(zhì)功能，”Chang說。“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，我們需要通過實驗證實它們對蛋白質(zhì)功能的影響。

“我們對蛋白質(zhì)科學(xué)的跨學(xué)科研究方法依賴于進化的線索，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)。”