《Molecular Biology and Evolution》：A POMT2 missense substitution contributes to hypoxia adaptation in hibernating mammals
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本研究针对冬眠哺乳动物如何适应长期低氧环境的科学问题，通过比较基因组学分析发现POMT2基因R708Q替换在冬眠物种中呈现显著富集。研究人员利用转基因小鼠模型证实该突变通过调控α- dystroglycan(O-甘露糖基化)和红细胞稳态，显著增强低氧耐受性。该发现不仅揭示了冬眠适应的新遗传机制，还为低氧相关疾病研究提供了新靶点。
在严寒的冬季，当大多数动物为生存而挣扎时，冬眠哺乳动物却展现出令人惊叹的生理韧性。它们能够将体温降至接近冰点，将代谢率降至极低水平，并在缺氧环境下维持组织功能完整性。这种神奇的生理状态背后，隐藏着怎样的遗传密码？长期以来，科学家们试图揭示冬眠动物适应极端环境的分子机制，特别是它们对低氧环境的卓越耐受性。传统研究多聚焦于冷耐受机制，而对低氧适应的遗传基础知之甚少。
在这项发表于《Molecular Biology and Evolution》的研究中，科学家们通过跨物种比较基因组学揭开了这一谜题的关键部分。研究团队通过对六个冬眠哺乳物种（包括新测序的凯伦睡鼠和貉）进行系统分析，发现了一个古老的氨基酸替换——POMT2基因第708位精氨酸到谷氨酰胺的突变(R708Q)，该突变在冬眠物种中呈现显著的趋同进化信号。更有趣的是，这一变异在244种哺乳动物的大规模分析中，显示出与低氧适应物种的高度相关性，65.06%的低氧适应物种携带此变异。
研究采用的多项关键技术方法包括：利用长读长测序技术（Oxford Nanopore PromethION）进行基因组从头组装，通过CCS(保守位点趋同分析)和MEME(混合效应进化模型)方法筛选趋同进化位点，使用HeIST框架分析不完全谱系分选(hemiplasy)现象，通过CRISPR/Cas9技术构建POMT2(R708Q)点突变转基因小鼠模型，结合低氧舱(10% O2)暴露实验、缺氧标记物pimonidazole组织染色和多组织转录组测序(RNA-seq)进行功能验证。
比较基因组学分析鉴定出冬眠哺乳动物POMT2的进化位点
研究人员首先完成了凯伦睡鼠和貉的高质量基因组组装，contig N50分别达到26.6 Mb和51.5 Mb。通过比较12种哺乳动物（6种冬眠物种、5种非冬眠物种和九带犰狳作为外群）的5561个一对一同源基因，鉴定出10个高置信度的趋同进化候选位点。其中POMT2 R708Q变异在低氧适应物种中的富集程度最高（卡方检验P<1E-4），表明该位点与低氧适应机制高度相关。
系统发育分析揭示替代进化机制
进一步的系统发育分析显示，R708Q替换的分布模式更符合不完全谱系分选特征而非趋同进化。PCOC分析显示趋同进化的后验概率极低（3.89E-25），而HeIST分析表明当需要三个或更多独立祖先替换时，不完全谱系分选的概率显著高于同塑性。该变异发生在CpG包含的密码子（CGA到CAA），是哺乳动物基因组中最显著的突变热点之一。
携带POMT2(R708Q)的转基因小鼠表现出低氧适应表型
功能实验表明，在慢性低氧暴露（10% O2，一个月）后，转基因小鼠的血氧饱和度显著高于野生型小鼠（T检验，P<1E-4），与天然冬眠动物睡鼠的表现相当。这种优势源于红细胞平均体积(MCV)增加带来的携氧能力增强。组织学分析显示转基因小鼠的pimonidazole阳性缺氧区域显著减少，证实了组织氧合水平的改善。
心脏转录组分析发现57个差异表达基因，富集在"氧载体活性""血红素结合"等通路。关键基因BPGM（2,3-二磷酸甘油酸变位酶）的表达变化表明转基因小鼠通过调节血红蛋白-氧亲和力来适应低氧。蛋白互作网络分析显示，30个差异表达基因与POMT2形成功能簇，提示POMT2通过调控α-抗肌萎缩相关糖蛋白(α-dystroglycan)和肌营养不良蛋白糖蛋白复合物(dystrophin-glycoprotein complex)参与低氧适应。
凯伦睡鼠表现出冬眠的生理特征和低氧适应性
尽管睡鼠缺乏POMT2 R708Q突变，但作为冬眠阳性对照模型，它展示了典型的冬眠生理特征。在5℃诱导下，睡鼠体温逐渐与环境温度平衡，代谢率显著降低。冬眠期间血氧饱和度降至70%，组织pimonidazole染色显示肌肉、肝脏和肾脏的缺氧区域显著扩大。转录组分析发现低氧应答通路基因（如HMOX2）的表达改变，反映了代谢抑制期间的分子适应机制。
研究结论表明，POMT2 R708Q替换是冬眠哺乳动物低氧适应的重要遗传决定因素，其进化起源可能源于不完全谱系分选而非趋同进化。功能上，该突变通过调节O-甘露糖基化过程和红细胞稳态来增强低氧耐受性。睡鼠作为新型冬眠模型，为研究代谢抑制与低氧适应的生理机制提供了重要平台。
这项研究的重要意义在于首次将POMT2与低氧适应联系起来，拓展了对冬眠生理遗传基础的认识。发现的分子机制不仅有助于理解自然条件下的适应性进化，还可能为人类低氧相关疾病（如高原反应、缺血性疾病）的治疗策略提供新思路。同时，研究展示的多学科方法（比较基因组学、系统发育分析、转基因动物模型）为复杂性状的遗传解析提供了范例。尽管研究揭示了关键机制，但冬眠生物学复杂性提示可能存在更多未被发现的分子途径，值得进一步探索。
