研究人员试图揭示鱼类极端性状和疾病恢复能力背后的遗传机制

休斯顿大学生物学和生物化学助理教授雅各布·达恩(Jacob Daane)正在领导一个研究项目，以揭示鱼类性状进化和疾病恢复能力背后的遗传机制。美国国家普通医学科学研究所颁发的 190 万美元奖金跨越五年，将深入研究在充满挑战的环境中茁壮成长的鱼类特定性状发展之前和之后的基因组和宏观进化趋势。

许多鱼类进化出了在特定环境中具有高度适应性的特征，但在人类中却被认为是病态的或由疾病引起的。这些特征包括红细胞损失(贫血)、骨骼密度低(骨质减少)、脂质积累(代谢疾病)、肾小球损失(肾脏疾病)和心脏扩大(心脏肥大)。达恩的实验室试图了解这些特征是如何进化的，以及鱼类如何克服这种极端表型的有害影响。

“我们将比较不同鱼类的基因组，看看是否存在与性状模式相关的任何有趣的差异，”夏威夷大学自然科学与数学学院的教员达恩说。“当我们发现一些值得注意的东西时，我们将在斑马鱼中测试我们的候选基因，看看该基因是否与鱼的极端性状有关。”

该项目将重点关注两个研究领域：识别遗传机制和研究组织可塑性或环境变化适应性的分子机制。第一个研究领域将包括蛋白质编码和基因调控变异的影响、整个基因组的变异模式以及鱼类进化史上的特定事件对其遗传结果的影响。

达恩将第二个研究领域描述为更现代的。“生物学中还有另一个现象，即许多特征都依赖于环境，”他说。“肾脏是研究比较生物学、进化和环境相互作用的一个有趣的器官，因为在鱼类中，肾脏结构存在很多变化，具体取决于它们的环境。”

例如，南极鱼类的肾脏中没有肾小球，肾小球是肾小管末端的一组毛细血管，有助于过滤血液中的废物。通常情况下，肾小球会从鳕鱼的血液中过滤出一种“抗冻”蛋白质，鳕鱼需要它才能在南极冰冷的水域中正常运作。为了帮助生存，南极鱼的肾脏发育时没有肾小球。

相反，北半球的北极鳕鱼肾小球在夏季发挥功能，但在冬季停止工作，并在海水变暖时再次恢复活力。

Daane 的研究小组将通过使用肾脏内的单细胞测序来识别基因表达的差异，来研究组织如何适应不断变化的环境条件。

“我们将把一种环境与另一种环境进行比较，看看哪些基因参与了关闭和恢复活力，”他说。“对鱼类肾小球恢复活力的研究有可能带来启发性的治疗方法，使人类无法修复或再生的受损肾小球细胞恢复活力。”

Daane 和他的团队将使用三种核心方法：比较基因组学、斑马鱼基因编辑和比较功能组学，其中包括比较单细胞测序和比较批量 RNA 测序。

比较基因组学对具有某些性状的不同物种的基因组进行测序，以识别具有特定遗传特征的区域。然后，该信息被用来识别可能以特殊方式进化的基因组区域。RNA 测序测量不同物种器官和组织细胞中存在的 RNA 量。例如，仔细观察一个物种的肾脏和另一物种的肾脏，以识别基因表达。

“这项工作的一个有趣的意义是，它有可能帮助我们了解性状进化的基本知识，”达恩说。

几年后，它还有可能为患有各种疾病的人类创造治疗方法。达恩团队正在研究的特征——红细胞、骨密度、脂肪含量和肾功能——与人类疾病有关。

“这些鱼的非凡之处在于它们是进化突变模型，”达恩补充道。“希望通过了解它们如何克服极端表型的有害影响，我们也许能够激发出新的治疗途径，当人类具有相似的表型时克服疾病。”

本出版物中报告的研究得到了美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所的支持，奖项编号为 R35GM150590。内容完全由作者负责，并不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。

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