动物对温度适应的分子生物学研究进展

　　摘要： 动物对环境温度的适应，会使自身的细胞内转录和表达模式发成变化，以适合环境的变化，此时它会出现新的基因开放和新蛋白因子的合成，这总的来说是动物对自身的一种保护方式。本文从基因水平、蛋白质水平、细胞膜水平等三个方面综述了动物对环境温度适应的研究概况，并讨论了动物对环境温度适应的分子生物学机制以及在进化中的意义。

　　Abstract: The animal protects own one driving way to ambient temperature's adaptation, displays in the duplication and the expression pattern change of the cell and presents the new gene open and the new protein factor synthesis. The gene level, the protein level, the cell membrane level and so on three aspects has carried on the summary about the research survey of animal which adapts to the ambient temperature, and discussed the molecular biology mechanism as well as in evolution significance which animal adapts to the ambient temperature.

　　关键词： 动物；温度；基因；蛋白质；细胞膜

　　Key words: animal；temperature；gene；protein；cell membrane

　　 中图分类号：Q291文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）２5-0324-02

　　0 引言

　　动物的一切生命活动（生长、发育和生殖等）都是在一定的环境温度中进行的。一般说来，变温动物生长发育所要求的温度条件在 6-36℃范围内；恒温动物由于自身有调节体温的能力，对环境温度的适应范围广些[1]。当环境温度在最低和最适温度之间时，动物体内的生理生化反应会随着温度的升高而加快，代谢活动加强，从而加快生长发育速度；当温度高于最适温度后，参与生理生化反应的酶系统受到影响，代谢活动受阻，势必影响到动物正常的生长发育。环境温度若超出动物所要求的范围，动物的生命活动就会出现停滞；温度过高或过低会导致动物体死亡[2]。近年来关于动物对外界环境温度适应的分子生物学研究主要集中在基因水平、蛋白质水平和细胞膜水平三个方面。

　　1 基因水平上的温度

　　动物对环境温度的适应，会使自身的细胞内转录和表达模式发成变化，以适合环境的变化，此时它会出现新的基因开放和新蛋白因子的合成，这总的来说是动物对自身的一种保护方式。

　　外界环境温度的改变可以诱导动物体内热激蛋白家族基因的大量表达，从而调整动物有机体对外界环境温度的适应。

　　尽管热激蛋白家族基因序列保守，编码序列变异较低，但是，由于目前动物种类逐渐增多，热激蛋白基因序列和拷贝数等也在逐步显示出不同的趋势。

　　适应不同温度的果蝇居群，其热激蛋白70基因内存在两个显著的差异[4]，一个大的插入/缺失（indel）多态位点（56H8/122）和一个单核苷酸多态位点差异；对于来自澳大利亚东部不同纬度的11个居群，插入/缺失位点的频率与纬度呈正相关，由于纬度与温度最大（小）值和平均值呈负相关，提示温度和热值变化可能对Hsp70基因的这一变异频率产生了影响，Anderson[5]等也发现黑腹果蝇3号染色体右臂上hsr-omega基因的8bp缺失作为一个遗传标记与纬度及最高温（最热月）呈正相关，另一个3端重复的标记则多出现于温带群体中，与冷适应性相关。适应于较低纬度的Drosophila lummei有7个Hsp70基因拷贝，其热胁迫抗性高于具有5个拷贝的Drosophila lummei，后者在分布上处于较高的纬度，提示Hsp70基因结构与果蝇的适应纬度有相关性[6]。

　　果蝇体内一个名为“DmDG”的基因活性一旦下降，果蝇就会“怕热”，从而喜欢向温度更低的地方转移，其喜好的环境温度要比正常情况下低5摄氏度[7]。“DmDG”基因可能与果蝇的代谢功能相关。这个基因活性下降后，果蝇体内能量代谢就会活跃，于是就会更喜欢低温环境。动物体内利用基因调节温度适应性的机制普遍存在，这可以使动物适应很大的温度变化。

　　克隆斑潜蝇（Liriomyza sativae）3种小分子Hsp（Hsp19.5、Hsp20.8和Hsp21.7）和2种Hsp60（TCP1α，TCP1ζ），定量PCR分析表明，3种小分子Hsp均能被低温所诱导表达，而且Hsp20.8对低温更敏感，这意味着不同的小分子Hsp可能响应不同强度的低温胁迫。6种Hsp基因（Hsp19.5、Hsp20.8、Hsp21.7、TCP1α、TCP1ζ和Hsp90）的相对表达量在不同生长发育阶段差异显著。总的表达趋势是：小分子Hsp（Hsp19.5、Hsp20.8、Hsp21.7）在蛹期表达量最高，而大分子Hsp（TCP1α、TCP1ζ、Hsp90）的表达量则随着生长发育而递增[8]。这意味着除响应温度胁迫外，热激蛋白基因可能还在昆虫的生长发育中起着一定的作用。

　　2 蛋白质水平上的温度适应

　　热激蛋白（Hsps）是生物适应环境温度变化的一个重要媒介分子。受到热胁迫刺激后，动物有机体对热的胁迫抗性提高与热激蛋白表达量普遍成正相关[9]。

　　热激蛋白存在于所有动物细胞中，是动物受到应激原刺激后诱导产生的一组应激蛋白，与机体的应激关系密切，在进化上高度保守。对滞育的吉普赛蛾（Lymantria dispar）幼虫给以37-41℃的热激可以诱发合成7种Hsps（分子量分别为90，75，73，60，42，29和22ku），-10--20℃的冷休克导致其产生2种Hsps（90和75ku），当在25℃下恢复时另外又合成分子量29ku的热激蛋白[10]。斑马鱼在热胁迫（28-37℃）和冷胁迫（20-28℃）下的热激蛋白表达模式存在差异，在热胁迫条件下，Hsp70呈上调表达，而冷胁迫下Hsp70则显稳定表达[11]。将新月鱼的成纤维细胞系的培养温度从28℃调节到37℃时诱导产生3种不同的热休克蛋白[12]。

　　较缓和的高温对B型烟粉虱Hsp70表达具有诱导作用，极端高温会抑制Hsp70表达。在37-41℃范围内，Hsp70的表达量随着温度的升高而升高，在41℃时达到最高峰；当温度升高到43℃和45℃，B型烟粉虱Hsp70的表达量迅速降低。B型烟粉虱温室种群体内的Hsp70表达量与温室内的温度有关：上午到中午随着气温的升高，B型烟粉虱体内Hsp70表达量随之上升；傍晚气温降低时，Hsp70表达量也随之下降[13]。Kimura（1998）比较过3个果蝇近缘种热休克蛋白基因的表达情况，发现在冷激条件下，亚热带低海拔种（Drosophila watanabe）诱导热休克蛋白表达的阈温度要比温带种（D．traurara）和亚热带高海拔种（D．trapezifrons）高，而亚热带低海拔种的耐寒性却最低，说明在果蝇中热休克蛋白基因表达和耐寒性呈负相关[14]。Sorensen et al（2001）研究果蝇（D．huzzatii）不同自然种群间HSP70基因表达后，发现在冷激下寒温带种群诱导热休克蛋白基因表达的阈温度要明显低于热带种群[15]。

　　3 细胞膜水平上的温度适应

　　在正常生理温度下，细胞膜的主动运输、酶的活性、胞外分泌等机能才能正常进行[16]。细胞的膜脂在不同温度下具有不同的酰基链和链长度[16]。细胞膜化学成分改变可能是对温度适应的最普遍模式[16]。低温通过影响细胞膜的流动性而影响细胞正常的机能，对低温的适应不可避免地会涉及到细胞膜化学成分的改变。胆固醇能够促使细胞膜结构的有序化，从而增加细胞膜的流动性。鱼类通过改变脂肪酸中不饱和成分含量和极性磷脂头部组分，减少细胞膜中甾醇/磷脂比率来改变膜的流动性使鱼类更加适应寒冷的外界环境[17]。通过对不同温度适应下虹鳟鱼（rainbow trout）的肝、肾、腮等组织细胞细胞膜中胆固醇（C）与磷脂（P）含量的研究发现，5℃适应组细胞膜的C/P 值显著低于20℃适应组[3]。把鱼体暴露于低温下会导致的极性磷脂中非饱和脂肪酸/饱和脂肪酸比例增高，有利于在低温下维持细胞膜流动性，使鱼体更能抵抗低温损害[18]。低温还诱导细胞脂肪酸氧化酶的生成，由于它可以提高细胞膜中不饱和脂肪酸的含量，从而提高了细胞膜在低温条件下的流动性[19]。

　　在动物对温度的适应过程中，动物细胞还通过膜上各种离子通道数量及分布的改变使细胞内离子的成分和浓度发生相应的改变。研究表明，在北极生活的两种鱼类：Trematomus bernacchii和Trematomus newnesi在适应较高温度过程中，腮和肾等渗透压调节器官细胞膜上的Na/K+-ATP酶活性升高，将细胞内钠的、氯离子快速泵出体外，从而使得血清中渗透压明显降低，与海水间的渗透压差增大。研究结果表明，在冷环境中，鱼类靠升高体液离子浓度及渗透压来缩小与外界海水之间的差异，从而减少能量损耗[3]。鸭子对冷适应表现为肌浆网或内质网上Ca2+-ATPase活性及Ca2+释放通道数量上的改变时相与非寒颤产热的发生相一致[20]。

　　参考文献：

　　[1]林育真.生态学[M].北京:科学出版社，2004.

　　[2]孙儒泳.动物生态学原理[M].北京:北京师范大学出版社，2001.

　　[3]葛伟文，王之贤.温度适应的分子生物学机制[J].生理科学进展，1997， 28（3）：268-270.

　　[4]Bettencourt B R，I Kim，A A Hoffmann，et al. Response to natural and laboratory selection at the Drosophila hsp70 genes[J]. Evolution，2002，56（9）:1796-1801.

　　[5]Anderson A R，Collinge J E，Hoffmann A A，et al. Thermal tolerance trade-offs associated with the right arm of chromosome 3 and marked by the hsr-omega gene in Drosophila melanogaster[J].Heredity，2003，90（2）:195-202.

　　[6]Evgen'ev M B，Zatsepina O G，Garbuz D G，et al. Evolution and arrangement of the hsp70 gene cluster in two closely-related species of the virilis group of Drosophila[J].Chromosoma，2004，113（5）:223-232.

　　[7]Ken-ichi T，Yoshiro N，Utako K，et al. Changes in Temperature Preferences and Energy Homeostasis in Dystroglycan Mutants[J]. Sciense，2009，323:1740-1743.

　　[8]Li H H，Chen Z W，Le K. Cloning and expression of five heat shock protein genes in relation to cold hardening and development in the leafminer，Liriomyza sativa[J]. Journal of Insect Physiology，2009，55（3）:279-285.

　　[9]陈亚琼，肖调江，周浙昆.热激蛋白与生物环境适应及进化的关系[J].自然科学进展，2006，16（9）:1066-1073.

　　[10]Yocum G D，Joplin K H，Denlinger D L. Expression of heat shock proteins in response to high and low temperature extremes in diapausing pharate larva of the gypsy moth，Lymantria dispar [J]. Arch Insect Biochem Physiol，1992，18:239-249.

　　[11]Airaksinen S，Jokilehto T，Rabergh C M I，et al. Heat-and cold-inducible regulation of HSP70 expression in zebra- fish ZF4 cells[J]. Comparative Biochemistry and Physio- logy-B Biochemistry and Molecular Biology，2003，136（2）:275-282.

　　[12]Yatnasaki M，Tajitna M，Lee K W，et al. Molecular cloning and phylogenetic analysis of Babesia gibsoni heat shock protein 70[J]. Veterinary Parasitology，2002，110（1-2）:123-129.

　　[13]崔旭红.B型烟粉虱和温室粉虱热胁迫适应性及其分子生态机制[D]. 中国农业科学院，2007.

　　[14]Kimura R H，Choudary P V，Sehinid C W. Silk worm Bml SNIE increase following cellular insults[J]. Nucleic Acids Res，1999，27:3380-3387.

　　[15]Sorensen J G，Dahlgaard J，Loeschcke V. Genetic variation in thermal tolerance among natural populations of Drosophila buzzatii:Down regulation of Hsp70 expression and variation in heat stress resistance traits[J].Functional Ecology，2001，15:289-296.

　　[16]Hazel J R. Thermal adaptation in biological membranes: is homeoviscous adaptation the explanation [J]. Ann Rev Physiol，1995，57:19-42.

　　[17]Farkas T，Fodor E，Kitajka K，et al. Response of fish membranes to environmental temperature[J]. Aquaculture Research，2001，32:645-655.

　　[18]Jobling M，Bendiksen E A. Dietary lipids and temperature interact to influence tissue fatty acid compositions of Atlantic salmon，Salmo Salar L. parr [J]. Aquculture Research，2003，34:1423-1441.

　　[19]Vigh L，Los DA，Horvath I，et al. The primary signal in the biological perception of temperature:Pd-catalyzed hydrogenation of membrane liquids the expression of the desA gene in Synechocystis PCC6803[J]. Proc Natl Acad Sci USA，1993，90:9090-9094.

　　[20]Dumonteil E，Barre H，Meissner G. Expression of sarcoplasmic reticulum Ca2+ transport proteins in cold-acclimating ducklings [J]. Am J Physiol Cell Physiol，1995，269:955-960.