蘆 超，丁 玎，陳 兵*

(1. 河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北保定 071002；2. 中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所，北京 100103)

氧是機(jī)體進(jìn)行新陳代謝和維持生存的必要因素。人們了解氧對(duì)動(dòng)物生命的至關(guān)重要性始于1774年，然而直到20世紀(jì)90年代，人們才開(kāi)始探索氧缺少對(duì)動(dòng)物的影響。世界上存在許多低氧分壓的環(huán)境，例如高海拔地區(qū)、深海，這類(lèi)環(huán)境嚴(yán)重影響著動(dòng)植物的生存與發(fā)展，同時(shí)低氧也是許多疾病發(fā)病過(guò)程中的一個(gè)重要的環(huán)境因素。許多野生動(dòng)物都能夠在這樣的極端環(huán)境下長(zhǎng)期很好的生存和繁殖，說(shuō)明在世代居住的過(guò)程中動(dòng)物都進(jìn)化出了相同或者特異的方式去適應(yīng)低氧環(huán)境。

無(wú)脊椎動(dòng)物尤其是昆蟲(chóng)因其較好的可操作性以及其本身生理特點(diǎn)，很早就被人類(lèi)用于低氧適應(yīng)的研究。昆蟲(chóng)是世界上種類(lèi)和數(shù)量最多的動(dòng)物，其生活環(huán)境非常多樣。由于棲息地處于恒定低氧(如高海拔地區(qū)、寄主的胃部)和間斷低氧或無(wú)氧(如洪水淹沒(méi)和冰雪覆蓋地區(qū)、腐肉、果實(shí)或密閉的容器)的條件，它們發(fā)展出了各自的適應(yīng)策略求得生存和繁榮壯大。長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)于昆蟲(chóng)低氧的研究取得了一系列成果，在生態(tài)、進(jìn)化和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都受到了廣泛的關(guān)注，本文就昆蟲(chóng)在不同方面對(duì)于低氧環(huán)境的適應(yīng)做了綜述。

1 昆蟲(chóng)的呼吸和攜氧系統(tǒng)及其低氧適應(yīng)

1.1 昆蟲(chóng)的低氧耐受能力

由于昆蟲(chóng)的廣泛分布，它們的棲息地包括陸地、水中以及高海拔地區(qū)，在這些棲息地中，昆蟲(chóng)都會(huì)面臨不同的低氧環(huán)境。它們的種類(lèi)涉及到了大部分昆蟲(chóng)類(lèi)群，包括鞘翅目Coleoptera、雙翅目Diptera、鱗翅目Lepidoptera、等翅目Isoptera、彈尾目Collembola和直翅目Orthoptera。在實(shí)驗(yàn)室極度低氧或無(wú)氧條件下，這些昆蟲(chóng)能夠存活數(shù)十分鐘、數(shù)天甚至數(shù)月(Hoback and Stanley, 2001)。

對(duì)于棲息在陸地的昆蟲(chóng)，土壤、糞便、谷物堆，或被淹沒(méi)的洞穴等地方經(jīng)常產(chǎn)生低氧環(huán)境(Hoback and Stanley, 2001)，所以不同棲息地的昆蟲(chóng)在其生命階段需要具有一些能夠應(yīng)對(duì)環(huán)境低氧的適應(yīng)能力，從而提高他們的生存率(Hoback, 2012; Campetal., 2014; Harrison, 2015)。如蜣螂生活在充滿糞便的洞穴當(dāng)中，它們要面臨低氧和體內(nèi)二氧化碳過(guò)多的危害，因此蜣螂新陳代謝所需要的臨界氧分壓(partial pressure of oxygen,PO2)十分低(Holter and Spangenberg, 1997)。但同樣在洞穴中筑巢的蜜蜂Megachilerotundata的新陳代謝所需要的臨界PO2值與其他昆蟲(chóng)相似(Owingsetal., 2014)。處于不同發(fā)育階段的昆蟲(chóng)對(duì)于低氧的耐受能力也存在差異，比如煙草天蛾Manducasexta的蛹比其5齡幼蟲(chóng)更容易在洪水中幸存(Woods and Lane, 2016)，但對(duì)于毛翅蠅Ironoquiaplattensis來(lái)說(shuō)，它的蛹比幼蟲(chóng)更容易受到洪水影響(Cavallaro and Hoback, 2014)。除此之外，蘋(píng)果蠹蛾的卵和成蟲(chóng)在0.5%氧濃度的常壓低氧條件下只能存活1.25 h，而其滯育幼蟲(chóng)卻能存活42 d，其原因可能是滯育期的幼蟲(chóng)對(duì)代謝顯著抑制從而減少了耗氧(Soderstrometal., 1990)。

水生昆蟲(chóng)比陸地昆蟲(chóng)更容易受到低氧環(huán)境的影響，因?yàn)檠鯕庠谒械娜芙舛葮O低，并且消耗或者產(chǎn)生氧氣都會(huì)迅速導(dǎo)致水中的PO2值劇烈變化，在較小的水體中這一現(xiàn)象更加明顯。使這一情況更加惡劣的另一個(gè)原因就是氧氣在水體中擴(kuò)散平衡所需要的時(shí)間更多(Dejours, 1975; Verberketal., 2011)。對(duì)石蠶蛾Hydropsycheangustipennis的研究表明，它們通過(guò)改變自身行為活動(dòng)時(shí)間來(lái)克服低氧環(huán)境，如增加了自身通氣時(shí)間以提高體內(nèi)含氧量，同時(shí)降低了捕食等其他活動(dòng)的時(shí)間來(lái)減少自身對(duì)于氧氣的消耗量(Van der Geest, 2007)，在羽搖蚊Chironomusplumosus的研究中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的現(xiàn)象(Walshe, 1950)。不同水生昆蟲(chóng)在低氧環(huán)境下的生存能力有很大差異，有些僅耐受輕微低氧而有些可以耐受極度低氧。有趣的是，即使是親緣關(guān)系很近的水生昆蟲(chóng)，它們的耐低氧能力也存在差異(van der Geest, 2007; Verberk and Bilton, 2013)。在這些昆蟲(chóng)中，那些具有耐極端低氧的類(lèi)群，就更容易建立生存優(yōu)勢(shì)(Hamburgeretal., 1994)。

生活在高海拔地區(qū)的昆蟲(chóng)，隨著海拔升高空氣密度降低，PO2值也逐漸降低。高海拔低氧可能是影響個(gè)體生長(zhǎng)和大小的重要原因，但目前相關(guān)研究較少(Harrisonetal., 2018)。在許多高海拔地區(qū)沒(méi)有蜜蜂的分布，原因之一可能就是氧氣濃度過(guò)低無(wú)法維持蜜蜂飛行過(guò)程的能量代謝(Joosetal., 1997)。但是生活在西藏高原的飛蝗與平原的飛蝗相比對(duì)于低氧的耐受性更強(qiáng)，低氧下線粒體損傷較小，電子轉(zhuǎn)運(yùn)催化效率更高，這些都為飛蝗在高原低氧環(huán)境中維持能量代謝提供直接幫助(Zhouetal., 2008)。

儲(chǔ)藏物昆蟲(chóng)也是一類(lèi)特殊的經(jīng)常遭遇低氧環(huán)境的昆蟲(chóng)。對(duì)豆象甲Callosobruchuschinensis在低氧(2% O2)和常氧(20% O2)條件下的代謝譜研究表明，豆象甲在低氧條件下會(huì)通過(guò)改變自身的代謝途徑來(lái)提高自身低氧耐受性，如激活乙醛酸循環(huán)將脂肪酸轉(zhuǎn)發(fā)為碳水化合物用于能量代謝(Cuietal., 2017)。儲(chǔ)藏物昆蟲(chóng)在不同發(fā)育階段低氧耐受性不同，比如煙草甲Lasiodermaserricorne的幼蟲(chóng)能夠忍受氧氣濃度低于1.0%～1.3%的極端低氧情況，而其成蟲(chóng)則不能(Imai and Fukazawa, 2012)。綠豆象Callosobruchusmaculatus則卵是對(duì)缺氧最敏感的，特別是在早期，而3齡、4齡幼蟲(chóng)是最耐受性最強(qiáng)的，可以在低氧條件下存活15 d(Chengetal., 2015)。

另外也有一些昆蟲(chóng)所具有的無(wú)氧耐受能力與棲息地的環(huán)境并無(wú)關(guān)系，例如沙漠飛蝗Schistocercagregaria，雖然世代生活在常氧環(huán)境中，卻能在無(wú)氧條件下生存長(zhǎng)達(dá)8 h(Hochachkaetal., 1993)，這些預(yù)示著昆蟲(chóng)對(duì)低氧或無(wú)氧的耐受能力可能是普遍存在的。

1.2 昆蟲(chóng)的呼吸系統(tǒng)—?dú)夤芟到y(tǒng)

昆蟲(chóng)的氣管系統(tǒng)是連續(xù)不斷遍布全身的由上皮細(xì)胞構(gòu)成的管狀網(wǎng)絡(luò)。在氣管的末端不斷分支和細(xì)化，深入組織內(nèi)部直接為組織輸送氧氣。在胚胎時(shí)期，氣管系統(tǒng)的一些基礎(chǔ)組織開(kāi)始發(fā)育，該發(fā)育過(guò)程主要受遺傳因素傳控制。在幼蟲(chóng)期間氣管系統(tǒng)成為可塑性組織，可以根據(jù)機(jī)體對(duì)氧氣的需求生長(zhǎng)和分支。

關(guān)于昆蟲(chóng)氣管系統(tǒng)對(duì)氧氣響應(yīng)的研究主要是以果蠅為模型進(jìn)行操作的。在發(fā)育過(guò)程中，果蠅早期氣管原基的形成是在胚胎中期開(kāi)始的，調(diào)控該過(guò)程的基因?yàn)閠rachealess，該基因編碼的蛋白Trh調(diào)控一系列基因的轉(zhuǎn)錄從而促進(jìn)氣管的發(fā)育(Isaac and Andrew, 1996)。隨后氣管原基形成囊泡，并向上生長(zhǎng)，氣管細(xì)胞隨即向上遷移形成六條原始的氣管分支(Vincentetal., 1997)。隨著分支的不斷生長(zhǎng)和擴(kuò)張并逐漸形成網(wǎng)絡(luò)(Vincentetal., 1997)。纖維原細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體(Fibroblast growth factor receptors，F(xiàn)GFR；在果蠅中FGFR的類(lèi)似物被稱作Breathless (Btl))在氣管分支和生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮了很重要的作用。FGFR在所有氣管細(xì)胞中均有表達(dá)，而在目標(biāo)組織，其配體Branchless(Bnl)可引導(dǎo)表達(dá)FGFR的氣管細(xì)胞向其移動(dòng)，一旦氣管細(xì)胞移動(dòng)到含有Bnl的細(xì)胞簇，該過(guò)程會(huì)停止并開(kāi)始下一輪調(diào)控，該過(guò)程的不斷重復(fù)使得氣管不斷延伸(Sutherlandetal., 1996)。

昆蟲(chóng)氣管系統(tǒng)受到氧氣濃度調(diào)控的現(xiàn)象最早是在獵椿中發(fā)現(xiàn)的(Wigglesworth, 1954)。隨后又發(fā)現(xiàn)，昆蟲(chóng)在感受氧氣濃度及調(diào)控氣管發(fā)育過(guò)程中，低氧誘導(dǎo)因子(Hypoxia-inducible factor, HIF)起到了核心的作用。在果蠅中，HIF-α亞基的同源蛋白Sima通過(guò)調(diào)控Btl的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)氣管的分支和生長(zhǎng)(Centaninetal., 2008)。

1.3 昆蟲(chóng)的攜氧系統(tǒng)—呼吸蛋白

因?yàn)槔ハx(chóng)具有發(fā)達(dá)的氣管系統(tǒng)，最初認(rèn)為呼吸蛋白對(duì)于昆蟲(chóng)的氧氣傳遞不是必需的(Rubinetal., 2000; Willmeretal., 2009)。然而隨后的研究發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此，在生活于馬胃部的膚蠅幼蟲(chóng)體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量的血紅蛋白(Hemoglobin)，血紅蛋白的存在有利于增強(qiáng)氧氣的攝取和輸送(Hoback and Stanley, 2001)。隨后在黑腹果蠅Drosophilamelanogaster體內(nèi)發(fā)現(xiàn)血紅蛋白，果蠅血紅蛋白的合成主要與氣管系統(tǒng)和脂肪體有關(guān)，這表明昆蟲(chóng)體內(nèi)的氧氣供應(yīng)可能比之前想象的要復(fù)雜，除了簡(jiǎn)單的擴(kuò)散外，還可能依賴于血紅蛋白介導(dǎo)的氧氣運(yùn)輸和儲(chǔ)存(Hankelnetal., 2002)。

隨后在一些昆蟲(chóng)中還發(fā)現(xiàn)另一種攜氧蛋白即血藍(lán)蛋白(Hemocyanin)(Hagner-Holleretal., 2004)。對(duì)石蠅Perlamarginata的研究表明，具有氧結(jié)合特性的血淋巴包含血藍(lán)蛋白(Hagner-Holleretal., 2004)。與之相類(lèi)似，飛蝗Locustamigratoria在胚胎時(shí)期，氣管系統(tǒng)發(fā)育之前，蝗卵和胚胎大量表達(dá)血藍(lán)蛋白，血藍(lán)蛋白的缺失會(huì)嚴(yán)重影響飛蝗的胚胎發(fā)育(Chenetal., 2015)。血藍(lán)蛋白廣泛存在于非完全變態(tài)昆蟲(chóng)中這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，暗示血藍(lán)蛋白對(duì)昆蟲(chóng)呼吸可能存在著潛在的意義(Burmester, 2001; Burmester and Hankeln, 2007; Picketal., 2008; Picketal., 2010)，這與血紅蛋白在昆蟲(chóng)中可能起到輔助運(yùn)輸氧氣的推測(cè)吻合。

血藍(lán)蛋白的表達(dá)僅限于胚胎中晚期和1齡若蟲(chóng)，如在杜比亞蟑螂Blapticadubia和美洲沙漠蝗Schistocercaamericana的胚胎中就是這樣，這意味著血藍(lán)蛋白可能進(jìn)化出一種胚胎中與氣體交換或儲(chǔ)存相關(guān)的特殊功能(Sánchezetal., 1998; Picketal., 2010)。低氧下培養(yǎng)飛蝗胚胎可以大量誘導(dǎo)血藍(lán)蛋白的表達(dá)上調(diào)，進(jìn)一步說(shuō)明血藍(lán)蛋白與環(huán)境可獲得氧密切相關(guān)(Chenetal., 2017)。卵可能是通過(guò)胚胎表面轉(zhuǎn)移氧氣來(lái)調(diào)節(jié)氧氣供應(yīng)，或者給呼吸組織或局部?jī)?chǔ)存氧氣。同時(shí)，血藍(lán)蛋白還可能具有與氧轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)的其他功能，如緩沖胚胎的供氧，控制供氧的時(shí)間和強(qiáng)度，或作為向卵殼輸出信號(hào)的低氧傳感器，增加其通氣量或增加流入胚胎的氧氣量(Chenetal., 2015)。

對(duì)于昆蟲(chóng)呼吸蛋白的研究主要集中在胚胎時(shí)期，而且呼吸蛋白的存在也主要在昆蟲(chóng)的胚胎時(shí)期，這主要可能是因?yàn)榕咛r(shí)期的昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)由于沒(méi)有成熟的呼吸系統(tǒng)—?dú)夤芟到y(tǒng)來(lái)運(yùn)輸氧氣，所以在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中選擇了呼吸蛋白來(lái)輔助呼吸。相反的，當(dāng)昆蟲(chóng)進(jìn)入成蟲(chóng)期時(shí)，氣管系統(tǒng)逐漸成熟，無(wú)論是效率還是實(shí)用性都高于呼吸蛋白，所以在昆蟲(chóng)成蟲(chóng)時(shí)期不再表達(dá)呼吸蛋白?；诖?，陳兵等人提出了胚胎期血藍(lán)蛋白表達(dá)和氣管系統(tǒng)發(fā)育的互補(bǔ)模型(Chenetal., 2017)，該模型很好解釋了昆蟲(chóng)胚胎呼吸的機(jī)制。該發(fā)現(xiàn)也說(shuō)明昆蟲(chóng)的不同發(fā)育階段應(yīng)對(duì)低氧環(huán)境的方式可能是具有差異的?；谖鞑仫w蝗與平原飛蝗胚胎中血藍(lán)蛋白的比較研究進(jìn)一步揭示了血藍(lán)蛋白在低氧適應(yīng)中的作用，該研究表明，西藏飛蝗胚胎血藍(lán)蛋白含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平原飛蝗。雖然低氧誘導(dǎo)可以顯著提高平原種群和高原種群胚胎的血藍(lán)蛋白表達(dá)，但高原種群在低氧刺激下血藍(lán)蛋白表達(dá)更為穩(wěn)定(Chenetal., 2017)。因此，較高的血藍(lán)蛋白含量可能有助于西藏飛蝗胚胎在低氧高海拔地區(qū)更好地獲得充足和穩(wěn)定的氧氣供應(yīng)。

2 昆蟲(chóng)低氧研究體系與方法的發(fā)展

獲得耐低氧昆蟲(chóng)品系是研究昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)的前提和基礎(chǔ)，因此篩選具有耐低氧性的昆蟲(chóng)品系是研究昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)的一個(gè)重要步驟，這種篩選可以是實(shí)驗(yàn)室人為選擇篩選出來(lái)的，也可以是在自然界低氧環(huán)境中長(zhǎng)期自然選擇而篩選出來(lái)的。有研究者將黑腹果蠅D.melanogaster培養(yǎng)在逐步降低O2水平的環(huán)境中，經(jīng)繁殖超過(guò)200代后，通過(guò)這樣的人工篩選獲得了能夠忍受?chē)?yán)重低氧的果蠅種群，其可以忍耐極端低氧的特性可以遺傳，即使在沒(méi)有低氧壓力的情況下，這種耐受性仍然存在(Zhouetal., 2011)。除此之外，青藏高原是天然的低氧環(huán)境，生活在青藏高原的昆蟲(chóng)必然經(jīng)歷了長(zhǎng)久的自然選擇。在對(duì)西藏飛蝗的研究中發(fā)現(xiàn)，西藏飛蝗的體型明顯小于平原飛蝗，更有利于氧氣的輸送；在低氧情況下，西藏飛蝗的呼吸頻率也明顯高于平原飛蝗；經(jīng)過(guò)極端低氧處理(1.6 kPaPO2)西藏飛蝗在極端低氧條件下的暈倒率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平原飛蝗(Zhangetal., 2013)；種群分化歷史研究表明在10 000年前左右兩個(gè)種群的基因交流水平降到了最低值(Dingetal., 2018)。這些結(jié)果說(shuō)明西藏飛蝗是經(jīng)歷自然選擇而得到的具有耐低氧性的昆蟲(chóng)品系。

基因表達(dá)研究是昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)研究中重要的一部分，通過(guò)基因表達(dá)研究，可以得到低氧處理后實(shí)時(shí)的基因表達(dá)變化，基因表達(dá)研究的方法有很多，包括DNA微陣列(DNA microarray)、轉(zhuǎn)錄組、代謝組等多種方法。有研究者使用DNA微陣列技術(shù)對(duì)人工培育出的耐極端低氧的果蠅品系進(jìn)行了研究，得到了一系列受到抑制的代謝基因，并發(fā)現(xiàn)作為代謝開(kāi)關(guān)的hairy基因(詳見(jiàn)5)(Zhouetal., 2008)。該方法同樣被應(yīng)用在飛蝗L.migratoria當(dāng)中，推測(cè)出在極端低氧下飛蝗受到的主要威脅不是能量危機(jī)，而是氧化損傷(詳見(jiàn)3.3)(Zhaoetal., 2012)。轉(zhuǎn)錄組研究能夠全面快速地獲得某一物種特定組織或器官在某一狀態(tài)下的幾乎所有轉(zhuǎn)錄本序列信息。如使用轉(zhuǎn)錄組技術(shù)比較了果蠅暴露于輕度低氧(4～5 kPaPO2)和嚴(yán)重低氧(1.5～0 kPaPO2)下1～6 h后的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，證明昆蟲(chóng)在重度低氧時(shí)主要轉(zhuǎn)向損傷控制(Lietal., 2013)。代謝組學(xué)是對(duì)生物體內(nèi)所有代謝物進(jìn)行定量分析，并尋找代謝物與生理病理變化的相對(duì)關(guān)系的研究方式，也被廣泛應(yīng)用于昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)研究。有研究者通過(guò)對(duì)棲息于高山地區(qū)的小金蝠蛾Thitarodesxiaojinensis代謝組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)其通過(guò)引起體內(nèi)氧濃度下降來(lái)實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)激反應(yīng)(詳見(jiàn)5)(Zhuetal., 2019)。

全基因組重測(cè)序是現(xiàn)今比較常用的遺傳變異研究方法，如通過(guò)比較不同種群的基因組發(fā)現(xiàn)種群間的遺傳差異；對(duì)基因組的多態(tài)性和雜合度的分析，確定種群是否受到自然選擇壓力；分析固定指數(shù)和雜合度等指標(biāo)確定種群中與低氧適應(yīng)相關(guān)的受選擇基因；對(duì)這些基因進(jìn)行功能富集和信號(hào)通路富集，從而獲得與低氧適應(yīng)相關(guān)的富集通路。這一系列分析方法可以很恰當(dāng)?shù)慕鉀Q所要研究的低氧適應(yīng)遺傳機(jī)制。有研究者就通過(guò)對(duì)西藏蝗蟲(chóng)和平原蝗蟲(chóng)進(jìn)行基因組重測(cè)序發(fā)現(xiàn)，胰島素通路中蛋白酪氨酸磷酸酶非受體1型(Tyrosine protein phosphatase non-receptor type 1, PTP1B)在西藏蝗蟲(chóng)中受到選擇，與低氧代謝適應(yīng)相關(guān)(詳見(jiàn)6.1)(Dingetal., 2018)。也有研究者比較了非洲東部棲息于不同海拔的同種蜜蜂的基因組，發(fā)現(xiàn)高海拔地區(qū)蜜蜂基因組中7號(hào)染色體和9號(hào)染色體上有區(qū)域受到了正向選擇，從而影響其低氧行為適應(yīng)(詳見(jiàn)6.3)(Wallbergetal., 2017)。

3 低氧適應(yīng)的生理機(jī)制

3.1 氣體交換模式的改變

氣孔是位于昆蟲(chóng)體表調(diào)控氧氣進(jìn)出機(jī)體的小孔，在面對(duì)低氧環(huán)境時(shí)，氧氣含量調(diào)控了昆蟲(chóng)氣孔的閉合頻率和持續(xù)時(shí)間。研究表明當(dāng)周?chē)鯕鉂舛冉档蜁r(shí)，氣孔會(huì)延長(zhǎng)張開(kāi)時(shí)間、增加張開(kāi)頻率。同時(shí)氣孔也是機(jī)體排出二氧化碳的氣管，因此低氧也會(huì)造成暫時(shí)性的二氧化碳和呼吸作用產(chǎn)的水排放增多等特點(diǎn)(Frazieretal., 2001)。后續(xù)又有研究者報(bào)道，氣孔在進(jìn)行氣體交換調(diào)控時(shí)可分為3種狀態(tài)：開(kāi)啟狀態(tài)(大量釋放二氧化碳)、閉合狀態(tài)、煽動(dòng)狀態(tài)(少量釋放二氧化碳)。在面對(duì)低氧環(huán)境時(shí)，氣孔閉合狀態(tài)持續(xù)時(shí)間明顯縮短，同時(shí)煽動(dòng)狀態(tài)時(shí)二氧化碳排放量增加。除此之外，閉合狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間與周?chē)醴謮撼烧?，這個(gè)結(jié)論進(jìn)一步證明調(diào)控氣孔開(kāi)閉頻率與持續(xù)時(shí)間是周?chē)h(huán)境的氧分壓而非氣管系統(tǒng)本身的氧分壓(Hetz and Bradley, 2005)。

3.2 通氣量的改變

低氧環(huán)境中機(jī)體的通氣量會(huì)顯著增加，然而過(guò)高的氧氣含量對(duì)通氣量無(wú)明顯影響。已有的研究認(rèn)為低氧環(huán)境中通氣量的增加可能是由于二氧化碳增加導(dǎo)致的，另外一個(gè)原因也可能是活性氧積累(Deanetal., 2004)。在對(duì)黃粉蟲(chóng)Tenebriomolitor的研究發(fā)現(xiàn)，在15%和10.5%氧濃度的常壓低氧條件下，氣管橫截面積分別增長(zhǎng)了40%和120%，以此來(lái)增加自身通氣量來(lái)適應(yīng)低氧環(huán)境(Hoback and Stanley, 2001)。但是長(zhǎng)期處于低氧環(huán)境中，通氣量調(diào)控的敏感度則顯著降低，有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期處于不同氧氣濃度(PO2分別為：5、10、21、40 kPa)環(huán)境中飼養(yǎng)的蝗蟲(chóng)的通氣之間無(wú)明顯差別，與此同時(shí)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)腹部呼吸的幅度和頻率也無(wú)明顯差異(Harrisonetal., 2006)。而將處于低氧環(huán)境中飼養(yǎng)的蝗蟲(chóng)放置在正常氧濃度環(huán)境下測(cè)量，其通氣量則顯著降低。這個(gè)結(jié)果表明為了適應(yīng)長(zhǎng)期低氧環(huán)境，蝗蟲(chóng)顯著的降低了自身的通氣量。

3.3 抗氧化損傷能力改變

與哺乳動(dòng)物或鳥(niǎo)類(lèi)不同，昆蟲(chóng)可以在無(wú)氧條件下存活數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天之久，同時(shí)只會(huì)對(duì)機(jī)體造成輕微的損傷。在脊椎動(dòng)物中低氧會(huì)導(dǎo)致機(jī)體分解三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate, ATP)的能力減弱，從而影響后續(xù)輸氧后的恢復(fù)。而在飛蝗的飛行肌的研究中發(fā)現(xiàn)無(wú)氧環(huán)境下其細(xì)胞內(nèi)ATP依然可分解為磷酸腺苷(Adenosine monophosphate, AMP)，而且只有很少一部分會(huì)轉(zhuǎn)化成次黃嘌呤、黃嘌呤或者尿酸等副產(chǎn)物(Weyel and Wegener, 1996)。此外，昆蟲(chóng)體內(nèi)的海藻糖對(duì)于其抵抗無(wú)氧環(huán)境的壓力也起到了重要作用，在無(wú)氧環(huán)境中海藻糖具有防止蛋白變性，保護(hù)細(xì)胞等作用(Chenetal., 2002)。對(duì)于昆蟲(chóng)抗氧化損傷的機(jī)制到目前還不是很清楚，而針對(duì)昆蟲(chóng)的這一特點(diǎn)的研究有助于我們提高對(duì)于人類(lèi)一些疾病的認(rèn)識(shí)。

在對(duì)飛蝗的研究中發(fā)現(xiàn)，在低壓低氧的環(huán)境下，肌細(xì)胞中參與能源生產(chǎn)過(guò)程的基因在轉(zhuǎn)錄水平受到顯著抑制，包括丙酮酸脫氫酶作用的脫羧反應(yīng)、脂肪酸運(yùn)輸和β-氧化過(guò)程、TCA循環(huán)、電子傳遞鏈和ATP合成過(guò)程。這些過(guò)程的抑制主要是由于一些關(guān)鍵步驟的基因表達(dá)受到了抑制。之后研究者又通過(guò)通路研究分析，結(jié)果顯示糖酵解和其下游的各個(gè)途徑均受到了明顯的抑制，相反的戊糖磷酸途徑卻表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)。這表明能量產(chǎn)生過(guò)程的抑制和戊糖磷酸途徑的增強(qiáng)協(xié)同地將葡萄糖從合成ATP轉(zhuǎn)移到產(chǎn)生還原力，對(duì)于這一現(xiàn)象有一種可能的解釋便是在低壓低氧中，主要的威脅不是能量危機(jī)，而是氧化損傷(Zhaoetal., 2012)。因此，在低氧情況下，對(duì)于葡萄糖的分流和重新分配也是一種抗氧化損傷的適應(yīng)。也有研究者對(duì)果蠅在有氧代謝率臨界PO2范圍內(nèi)(4～5 kPaPO2)和嚴(yán)重低氧(0～1.5 kPaPO2)范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了測(cè)序研究。比較了暴露于0.5 kPaPO2的嚴(yán)重低氧下1 h和6 h后的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)，結(jié)果表明許多基因(如熱休克蛋白)的表達(dá)隨時(shí)間增加而增加，更多的基因隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)而上調(diào)(Lietal., 2013)。而在輕度低氧環(huán)境中誘導(dǎo)的基因(主要是轉(zhuǎn)錄因子和編輯基因)較少，且不包括熱休克蛋白，這與前面飛蝗在重度低氧時(shí)主要轉(zhuǎn)向損傷控制的假設(shè)一致。

4 發(fā)育和體型的適應(yīng)

4.1 體型與氧氣濃度的關(guān)系

在動(dòng)物進(jìn)化過(guò)程中，PO2水平發(fā)生了巨大的變化，許多研究結(jié)果表明昆蟲(chóng)體型的變化與環(huán)境氧濃度變化有關(guān)?；偷刭|(zhì)證據(jù)表明，PO2水平的增加與動(dòng)物體型的增加有關(guān)，這就導(dǎo)致了一種假說(shuō)，即古生代晚期著名的巨型昆蟲(chóng)是由氧氣供應(yīng)的增加而生存的(Harrisonetal., 2010)。有研究者指出在氧濃度大于30%PO2的古生代晚期(Michaud and Denlinger, 2007)，昆蟲(chóng)的體型大小幾乎是現(xiàn)在近親昆蟲(chóng)體型的十倍(Dudley, 1998)。對(duì)化石和環(huán)境氧濃度的進(jìn)一步研究表明，在昆蟲(chóng)進(jìn)化的前150百萬(wàn)年，隨著空氣中氧濃度的下降，昆蟲(chóng)的翅長(zhǎng)逐漸變短(Clapham and Karr, 2012)。這些結(jié)果都支持了前面的假說(shuō)，同時(shí)也暗示著昆蟲(chóng)減小自身的體型來(lái)適應(yīng)外界環(huán)境氧濃度的降低。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)人工低氧環(huán)境下飼養(yǎng)黑腹果蠅和煙草天蛾體型明顯縮小(Zhouetal., 2008; Callier and Nijhout, 2011)。在對(duì)黑腹果蠅的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，低氧條件下(10 kPaPO2)的種群個(gè)體較小，但當(dāng)這些種群恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，其大小與正常PO2條件下的飼養(yǎng)的種群相同，這說(shuō)明低氧對(duì)種群個(gè)體大小有很強(qiáng)的約束作用。相比之下，在較高氧分壓下飼養(yǎng)的果蠅(40 kPaPO2)的體型與常氧狀態(tài)下的果蠅無(wú)明顯差異(Klok and Harrison, 2009)。此外，耐受高氧的果蠅成蟲(chóng)的體型也增加了。耐受高氧的果蠅成蟲(chóng)(能夠生活在60～90 kPaPO2的成蟲(chóng))的體重至少比對(duì)照組高近20%(McElroy and Chandel, 2017)。與對(duì)照組相比，高氧耐受性果蠅的翅面積增大，翅細(xì)胞總數(shù)也明顯增多。這些研究結(jié)果再次表明，氧氣濃度與昆蟲(chóng)體型確實(shí)存在一定關(guān)系。對(duì)這一現(xiàn)象的一種解釋是，體型縮小可能是昆蟲(chóng)對(duì)低氧環(huán)境的適應(yīng)的結(jié)果之一，因?yàn)轶w型的縮小使昆蟲(chóng)能夠以更低的總能量和氧氣需求來(lái)進(jìn)行繁殖，并通過(guò)減少氧氣的擴(kuò)散距離來(lái)提高組織PO2。也有研究人員將其解釋為“時(shí)效性”，即因?yàn)榈脱踔羞m宜的食物資源的短時(shí)性，促使果蠅發(fā)育到成蟲(chóng)減小身體尺寸(Harrison and Haddad, 2011)。另一種解釋是由于細(xì)胞數(shù)量減少，因?yàn)楣壖?xì)胞的分裂周期會(huì)受到周?chē)脱醐h(huán)境的嚴(yán)重影響(Wingrove and O’farrell, 1999)。細(xì)胞在分裂中期生長(zhǎng)停滯或減緩表明有絲分裂期間DNA的復(fù)制對(duì)氧氣非常敏感。在低氧環(huán)境中長(zhǎng)期飼養(yǎng)的果蠅細(xì)胞數(shù)量較少，體積較小也證明了上述假設(shè)，因此這也被認(rèn)為是氧氣影響昆蟲(chóng)體型大小的原因之一(Peck and Maddrell, 2005)。以上這些結(jié)果說(shuō)明缺氧以被動(dòng)的、普遍的方式影響新陳代謝，同時(shí)誘導(dǎo)靶信號(hào)通路的激活，這些信號(hào)通路介導(dǎo)了體型的縮小，或者補(bǔ)償代謝干擾，減弱體型的縮小(Callier and Nijhout, 2014)。

但是氧氣濃度對(duì)昆蟲(chóng)體型大小的影響也取決于昆蟲(chóng)的種類(lèi)。對(duì)于果蠅D.melanogaster、綠頭蠅Calliphoravomitoria、煙草天蛾M.sexta以及黃粉蟲(chóng)T.molitor等，其體型大小與氧氣濃度在一定范圍內(nèi)成正相關(guān)。而對(duì)美洲沙漠蝗的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期低氧環(huán)境生活并不會(huì)影響其最終體型大小(Greenberg and Ar, 1996; Frazieretal., 2001)。

4.2 發(fā)育時(shí)間與氧氣濃度的關(guān)系

有研究認(rèn)為昆蟲(chóng)的臨界體型是受到體內(nèi)氧分壓決定的，在幼蟲(chóng)發(fā)育期間，隨著脂肪體的積累，體型不斷的生長(zhǎng)，但是在此過(guò)程中氣管系統(tǒng)及氣孔等依然保持恒定，當(dāng)機(jī)體不斷增大時(shí)會(huì)出現(xiàn)組織供氧減少的情況，隨即昆蟲(chóng)達(dá)到臨界體積并開(kāi)始蛻皮(Woods and Hill, 2004)。迄今的研究中均發(fā)現(xiàn)10 kPa或者更低的氧氣濃度會(huì)延長(zhǎng)昆蟲(chóng)的發(fā)育時(shí)間，減緩昆蟲(chóng)的發(fā)育速率。在對(duì)煙草天蛾M.sexta的研究表明，較高的發(fā)育速率會(huì)導(dǎo)致抗應(yīng)激能力的降低和氧化損傷過(guò)多的累積，也就是說(shuō)在氧氣濃度較低的情況下，煙草天蛾會(huì)選擇降低發(fā)育速率從而提高自身抗氧化損傷能力和應(yīng)激能力來(lái)獲得更高的生存率(Harrisonetal., 2013)。

最近基于腸道微生物造成的類(lèi)似低氧環(huán)境的研究給我們新的啟示。在無(wú)腸道微生物群時(shí)，給埃及伊蚊Aedesaegypti即使喂食營(yíng)養(yǎng)全面的食物，它們的發(fā)育不會(huì)超過(guò)1齡，與此相反，包括大腸桿菌在內(nèi)的幾種細(xì)菌可以幫助無(wú)菌性幼蟲(chóng)發(fā)育成成蟲(chóng)。在這種情況下，埃及伊蚊幼蟲(chóng)腸道內(nèi)的氧氣濃度降低到了5%以下，這就說(shuō)明腸道微生物導(dǎo)致的體內(nèi)氧分壓下降是促進(jìn)埃及伊蚊生長(zhǎng)和蛻皮的重要因素(Coonetal., 2017)。這就進(jìn)一步證實(shí)了“昆蟲(chóng)的臨界體型是受到體內(nèi)氧分壓決定的”這一假設(shè)。這些研究結(jié)果說(shuō)明，低氧不僅會(huì)對(duì)昆蟲(chóng)機(jī)體造成一定的影響，同時(shí)也是昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件，這對(duì)我們理解昆蟲(chóng)對(duì)低氧的適應(yīng)性進(jìn)化機(jī)制有重要意義。

5 代謝適應(yīng)

對(duì)官袍虎甲Cicindelatogata幼蟲(chóng)的研究發(fā)現(xiàn)，25℃下的無(wú)氧環(huán)境中抑制了機(jī)體97%的代謝活動(dòng)，同時(shí)其無(wú)氧呼吸則顯著增強(qiáng)(Hobacketal., 1998)。通過(guò)對(duì)極端耐低氧品系的果蠅與正常氧分壓條件下飼養(yǎng)的果蠅進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn)，耐低氧果蠅的整體代謝水平受到了明顯的抑制(Zhouetal., 2011)。深入研究發(fā)現(xiàn)，低氧耐受性較高的果蠅品系體內(nèi)一個(gè)名為hairy的轉(zhuǎn)錄抑制因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)存在明顯的變異，該變異使其所在基因的表達(dá)量顯著升高，從而抑制了能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)。而將hairy的基因敲除顯著降低了果蠅低氧耐受性，使得這些果蠅在低氧環(huán)境中的存活率顯著降低(Zhouetal., 2008)。同樣的，平原飛蝗在溫和低氧環(huán)境中(13%PO2)的能量代謝過(guò)程受到了系統(tǒng)性的抑制(Zhaoetal., 2012)。小金蝠蛾T.xiaojinensis是一種生存溫域極窄生物，在面對(duì)高溫環(huán)境時(shí)，其通過(guò)降低體內(nèi)氧氣濃度來(lái)抑制其有氧代謝的整體強(qiáng)度，激活了效率較低的厭氧糖酵解來(lái)維持其能量供應(yīng)，以延長(zhǎng)其在高溫環(huán)境中的生存時(shí)間(Zhuetal., 2019)。由此可見(jiàn)，降低自身的代謝過(guò)程是對(duì)于昆蟲(chóng)的低氧適應(yīng)是十分重要的一種方式，同時(shí)對(duì)于某些生物來(lái)說(shuō)低氧又是其適應(yīng)其他逆境的一種緩沖方式。

然而有趣的是，對(duì)于西藏飛蝗轉(zhuǎn)錄組的研究顯示，能量代謝相關(guān)基因表達(dá)量則無(wú)明顯變化，其體內(nèi)丙酮酸脫氫酶復(fù)合體的β亞基蛋白(Pyruvate dehydrogenase complex subunit E1β, PDHE1β, 丙酮酸脫氫酶是檸檬酸循環(huán)的限速酶)表達(dá)量在極端低氧情況下比平原蝗蟲(chóng)要高，深入研究發(fā)現(xiàn)其編碼基因啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生了變異，這一變異使PDHE1β在高原蝗蟲(chóng)中不會(huì)因低氧而導(dǎo)致表達(dá)量下降，從而使其能夠更好地利用有氧代謝在極端低氧時(shí)產(chǎn)生ATP(Zhaoetal., 2013)。還有研究表明，低氧處理對(duì)西藏蝗蟲(chóng)和平原蝗蟲(chóng)的氧化磷酸化反應(yīng)均有顯著抑制作用，但對(duì)西藏蝗蟲(chóng)的抑制作用較小。因?yàn)槲鞑鼗认x(chóng)的細(xì)胞色素C氧化酶(cytochrome C oxidase, COX)在常氧和低氧件下均表現(xiàn)出較高的活性，這使得西藏飛蝗的線粒體能夠在低氧環(huán)境中更有效的利用氧氣(Zhangetal., 2013)。這就說(shuō)明低氧環(huán)境中，昆蟲(chóng)也可以通過(guò)提高氧氣的利用效率來(lái)增強(qiáng)自身在低氧環(huán)境中的存活。

綜上，代謝適應(yīng)對(duì)于昆蟲(chóng)在低氧環(huán)境中生存是一項(xiàng)重要條件，無(wú)論是提高氧氣利用率還是降低氧氣的需求量都是為了保持昆蟲(chóng)在低氧環(huán)境中的代謝穩(wěn)態(tài)與能量供給，但為了達(dá)到這一目的，昆蟲(chóng)的適應(yīng)方式應(yīng)該不僅僅局限于此。因此，從多角度探尋昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)中維持代謝穩(wěn)態(tài)可能是一個(gè)重要方向。

6 低氧適應(yīng)的關(guān)鍵分子通路

昆蟲(chóng)中與低氧相關(guān)的代謝通路主要包括胰島素(Insulin/Insulin-like)信號(hào)通路和低氧誘導(dǎo)因子(HIF)信號(hào)通路，這兩條通路從多方面調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)在低氧環(huán)境中的適應(yīng)生存，包括生長(zhǎng)發(fā)育、能量代謝、氣管系統(tǒng)可塑性等(圖1)，但這兩條通路在調(diào)節(jié)低氧響應(yīng)上具有不同的特征，我們?cè)谙旅娣珠_(kāi)說(shuō)明。

圖1 昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)相關(guān)信號(hào)通路和功能Fig.1 Hypoxic adaptation related signaling pathways in insects注：由缺氧直接引起的通路反應(yīng)(黑色實(shí)線)和由缺氧間接引起的通路反應(yīng)(黑色虛線)；通路間的相互作用(紅線)；通路引起的功能反應(yīng)(藍(lán)線)。Note:Pathway response directly (black solid line) and indirectly (black dotted line) induced by hypoxia; Interaction between pathways (red line); functional response regulated by signal pathway (blue line).

6.1 胰島素(insulin/insulin-like)信號(hào)通路

胰島素信號(hào)通路是生物體內(nèi)重要的調(diào)控能量代謝的途徑，胰島素信號(hào)通路活性增加可導(dǎo)致能量代謝增強(qiáng)，但在低氧環(huán)境中旺盛的能量代謝可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞氧化壓力的增加進(jìn)而對(duì)機(jī)體產(chǎn)生有害的作用。對(duì)線蟲(chóng)的研究表明，秀麗線蟲(chóng)Caenorhabditiselegans中胰島素/胰島素類(lèi)似物生長(zhǎng)因子(insulin/insulin-like growth factor, IGF)受體同源基因daf-2突變體在低氧環(huán)境中的壽命比野生型明顯延長(zhǎng)，而將daf-2重新在神經(jīng)系統(tǒng)或肌肉中回補(bǔ)后，線蟲(chóng)在低氧環(huán)境中的死亡率重新提升，這一結(jié)果證實(shí)了上述結(jié)論(Scottetal., 2002)。不同的是，在果蠅中發(fā)現(xiàn)，低氧處理會(huì)降低果蠅組織中胰島素通路的活性，同時(shí)增加其大腦內(nèi)胰島素生成細(xì)胞中胰島素樣多肽2的含量；除此之外，在缺氧條件下，在果蠅幼蟲(chóng)全身或者氣管組織中過(guò)表達(dá)胰島素受體，增強(qiáng)了氣管的可塑性，增強(qiáng)了缺氧期間的氧氣輸送(Harrison and Haddad, 2011; Wongetal., 2014)。以上說(shuō)明胰島素信號(hào)通路可以調(diào)節(jié)低氧下昆蟲(chóng)的發(fā)育過(guò)程。最新的研究揭示自然選擇如何作用于昆蟲(chóng)胰島素通路關(guān)鍵基因，來(lái)調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)對(duì)低氧的適應(yīng)性(圖2)。PTP1B是一種酪氨酸磷酸酶，通過(guò)對(duì)胰島素受體的酪氨酸位點(diǎn)去磷酸化從而達(dá)到抑制其功能，進(jìn)而抑制整個(gè)胰島素信號(hào)通路。果蠅PTP1B同源蛋白，在低氧下可降低胰島素受體的活性(Leeetal., 2008)?；陲w蝗西藏種群和平原種群的比較基因組學(xué)發(fā)現(xiàn)，編碼PTP1B的基因PTPN1在西藏飛蝗中受到很強(qiáng)的自然選擇作用。PTPN1基因具有一個(gè)氨基酸變異位點(diǎn)，導(dǎo)致其編碼蛋白脯氨酸富集構(gòu)域(Pro-Rich)發(fā)生突變(p.Asn349Ile)，而且該變異位點(diǎn)的頻次呈現(xiàn)海拔梯度變化。西藏飛蝗在低氧暴露下表現(xiàn)很強(qiáng)的代謝穩(wěn)態(tài)，而功能研究發(fā)現(xiàn)，正是該突變鈍化了胰島素信號(hào)通路對(duì)低氧的響應(yīng)，使西藏飛蝗在低氧環(huán)境下仍能維持適當(dāng)水平的能力代謝水平和正常的活動(dòng)(Dingetal., 2018)(圖2)。該類(lèi)研究使我們對(duì)昆蟲(chóng)在代謝上適應(yīng)長(zhǎng)期低氧環(huán)境的機(jī)制有了新的認(rèn)識(shí)。

圖2 去磷酸化酶PTP1B蛋白突變對(duì)胰島素信號(hào)通路的影響Fig.2 Effects of PTP1B protein mutation on insulin signaling pathway注：在平原飛蝗體內(nèi)，在低氧環(huán)境中野生型PTP1B酶活性升高，使胰島素受體對(duì)胰島素的敏感性降低，減弱了能量代謝過(guò)程；在西藏飛蝗體內(nèi)，突變型PTP1B對(duì)低氧敏感度降低，胰島素通路活性維持穩(wěn)定，從而可以在低氧環(huán)境中保持穩(wěn)定的能量的代謝水平。Note:Under hypoxic environment, the lowland locusts possessing wild-type PTP1B increase the enzymatic activity of PTP1B that in turn, reduces the sensitivity of the insulin receptor to insulin and represses the energy metabolism. As a contrast, the Tibetan locusts harboring the mutant PTP1B possess a reduced sensitivity to hypoxia, and stable insulin pathway activity, thereby maintaining a stable energy metabolism level in a hypoxic environment.

6.2 低氧誘導(dǎo)因子(HIF)信號(hào)通路

HIF通路在低氧環(huán)境中維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和存活起到了至關(guān)重要的作用，并且其在氣管系統(tǒng)可塑性和調(diào)控昆蟲(chóng)生長(zhǎng)和發(fā)育扮演了重要的角色。最先發(fā)現(xiàn)HIF作為轉(zhuǎn)錄因子，當(dāng)被激活后，HIF會(huì)結(jié)合在位于其靶標(biāo)基因啟動(dòng)子區(qū)的低氧響應(yīng)原件(Hypoxic response element, HRE)上，并調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄(Semenza, 2003)。HIF由兩個(gè)亞基組成，α亞基和β亞基。β亞基穩(wěn)定表達(dá)在細(xì)胞核中，而α亞基則受到氧氣的抑制，當(dāng)氧氣含量降低，抑制才會(huì)被解除。人類(lèi)的HIF通路在低氧環(huán)境下參與一系列細(xì)胞過(guò)程的調(diào)控，包括調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝，促進(jìn)無(wú)氧呼吸而抑制有氧呼吸(Kimetal., 2006)，在低氧環(huán)境中優(yōu)化線粒體功能(Fukudaetal., 2007)，促進(jìn)血管生成和紅細(xì)胞的生成，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)以及調(diào)節(jié)細(xì)胞的增殖和凋亡等(Dengleretal., 2014)。在短期且急性的低氧刺激下可以激活HIF-1α，而較長(zhǎng)時(shí)間的低氧刺激下則會(huì)激活HIF-2α轉(zhuǎn)錄活性(Kohetal., 2011)。在對(duì)西藏人低氧適應(yīng)遺傳機(jī)制研究中發(fā)現(xiàn)了HIF-2α(EPAS1)的變異，該變異與西藏人在高原地區(qū)患慢性高山癥的概率較低有關(guān)(Pengetal., 2017)。而HIF-3α則參與抑制HIF-1/2α的過(guò)程。同時(shí)HIF-3α也被發(fā)現(xiàn)在斑馬魚(yú)胚胎中參與調(diào)控胚胎發(fā)育過(guò)程(Zhangetal., 2014)。此外，在線蟲(chóng)的研究中發(fā)現(xiàn)HIF過(guò)表達(dá)可以增強(qiáng)機(jī)體對(duì)氧化壓力的抵抗能力，從而延長(zhǎng)線蟲(chóng)的壽命(Zhangetal., 2009)。

而在昆蟲(chóng)的研究中，HIF參與調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)鮮有相關(guān)報(bào)道。在果蠅中，HIF-α的同源蛋白被稱為sima，其最早在果蠅胚胎中被發(fā)現(xiàn)(Lavista-Llanosetal., 2002)。氣管的末端細(xì)胞可以通過(guò)“氧傳感器”——Fatiga感知低氧，從而導(dǎo)致sima在這些細(xì)胞中不斷積累，而sima的積累誘導(dǎo)了Btl(一種成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體)的表達(dá)，Btl的高表達(dá)提高了其與配體Bnl的結(jié)合水平，從而誘導(dǎo)了末端細(xì)胞的分支生長(zhǎng)(Centaninetal., 2008)。sima與哺乳動(dòng)物中HIFα亞基類(lèi)似，受低氧處理的激活，在常氧環(huán)境中則被降解。HIF-1還負(fù)責(zé)急性反應(yīng)，使多種參與細(xì)胞代謝、細(xì)胞死亡和細(xì)胞生長(zhǎng)的基因恢復(fù)活性。黑腹果蠅的研究發(fā)現(xiàn)，HIF-1可以調(diào)控賴氨酸特異性去甲基化酶2(KDM2)家族成員，幫助協(xié)調(diào)細(xì)胞對(duì)缺氧的反應(yīng)(Batieetal., 2017)。重要的是，sima基因在果蠅中也調(diào)控氣管系統(tǒng)的分支和生長(zhǎng)，與人類(lèi)中HIF調(diào)控血管生成相似。由上分析可知，HIF信號(hào)通路在進(jìn)化上非常保守，值得我們開(kāi)展其低氧感知和適應(yīng)方面功能的深入研究。

同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，HIF信號(hào)通路和Insulin信號(hào)通路相互作用。對(duì)埃及伊蚊A.aegypti的研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌所引起的腸道內(nèi)缺氧是埃及伊蚊幼蟲(chóng)生長(zhǎng)到臨界大小，蛻皮激素(20-Hydroxyecdysone, 20E)釋放和羽化所必需的信號(hào)(Coonetal., 2017)，而這一信號(hào)是通過(guò)HIF信號(hào)通路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即在埃及伊蚊幼蟲(chóng)體內(nèi)，HIF信號(hào)通路可以激活A(yù)MP依賴的蛋白激酶信號(hào)(Adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase, AMPK)和胰島素生長(zhǎng)因子信號(hào)(insulin/insulin growth factor signaling, IIS)來(lái)調(diào)節(jié)埃及伊蚊幼蟲(chóng)的成長(zhǎng)和代謝(Valzaniaetal., 2018)。

前述結(jié)果表明，HIF信號(hào)通路對(duì)于昆蟲(chóng)在低氧適應(yīng)中的重要作用，不僅體現(xiàn)在其是昆蟲(chóng)應(yīng)對(duì)低氧環(huán)境的有效途徑，更體現(xiàn)在其作為誘導(dǎo)生長(zhǎng)和發(fā)育的重要信號(hào)通路。由此可見(jiàn)，昆蟲(chóng)在漫長(zhǎng)的低氧適應(yīng)進(jìn)化過(guò)程中，不僅發(fā)展出了一系列應(yīng)對(duì)低氧環(huán)境的機(jī)制，還將低氧作為自身生長(zhǎng)和發(fā)育的條件之一。因此，低氧適應(yīng)與調(diào)控對(duì)于昆蟲(chóng)的進(jìn)化和發(fā)展具有重要作用。

6.3 其他遺傳機(jī)制

顯然參與昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)的分子機(jī)制是多方面的?？蒲腥藛T比較了棲息于青藏高原的草原毛蟲(chóng)和其低海拔近親草原毛蟲(chóng)的轉(zhuǎn)錄組，受到自然選擇的基因富集通路包括mTOR信號(hào)通路中的正選擇基因，包括線粒體加工肽β亞基(Mitochondrial-processing peptidase subunit beta, MPPB)、mTOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白(Regulatory associated protein of mTOR, RAPTOR)和胞內(nèi)氯離子通道4(Chloride intracellular channel exc-4, EXC4)(Zhangetal., 2017)。而在對(duì)大山雀的研究中發(fā)現(xiàn)，mTOR通路對(duì)于其沿海拔低氧適應(yīng)相關(guān)(Quetal., 2015)。這就表明mTOR通路在昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)中起到了關(guān)鍵作用并且可能與脊椎動(dòng)物保守。對(duì)實(shí)驗(yàn)室培育出的極端耐低氧品系果蠅研究發(fā)現(xiàn)，Notch通路相關(guān)基因受低氧選擇，抑制低氧耐受果蠅的Notch信號(hào)通路顯著的降低了果蠅低氧下的存活率(Zhouetal., 2011)。在另一項(xiàng)研究中，科研人員比較了非洲東部棲息于不同海拔的同種蜜蜂的基因組，兩個(gè)不同的蜜蜂種群在外形和行為上都有明顯的差異，結(jié)果顯示兩個(gè)蜜蜂種群的遺傳背景差異很小，然而兩個(gè)種群在7號(hào)染色體上存在一個(gè)顯著的分化，位于該分化位點(diǎn)的基因編碼蛋白為多巴胺受體。這些蛋白的功能與蜜蜂的學(xué)習(xí)和采集行為密切相關(guān)，可能有助于提高其對(duì)高原環(huán)境的適應(yīng)(Wallbergetal., 2017)。

在人類(lèi)高原低氧適應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)的許多基因功能在昆蟲(chóng)中也得到很好的驗(yàn)證。在一項(xiàng)慢性高原病的研究中，科研人員通過(guò)對(duì)患有慢性高原病的人群和非患病人群進(jìn)行了全基因組水平的比較，并篩選得到一系列相關(guān)的遺傳差異基因。隨后科研人員在果蠅中得到這些差異基因的同源基因并在果蠅中進(jìn)行了體內(nèi)功能驗(yàn)證。該研究中鑒定了除了之前報(bào)道的慢性高原病相關(guān)基因SENP1以外，一些從未報(bào)道的基因如：SGK3,COPS5,PRDM1和IFT122也被發(fā)現(xiàn)。其中SENP1，SGK3和COPS5為HIF通路的關(guān)鍵基因，而PRDM1為非HIF通路依賴的低氧適應(yīng)基因。在果蠅中對(duì)這些基因進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，果蠅的耐低氧能力顯著增強(qiáng)(Stobdanetal., 2017)。使用同樣的方式，科研人員通過(guò)研究埃塞俄比亞高原人種的受選擇基因，并使用果蠅進(jìn)行驗(yàn)證，最終篩選出了3個(gè)未曾報(bào)道的基因參與低氧適應(yīng)過(guò)程，這些基因分別是：CIC,LIPE和Paf-Aha(Udpaetal., 2014)。在另一項(xiàng)研究中，科研人員通過(guò)篩選和驗(yàn)證了耐低氧果蠅中受選擇基因，這些基因的同源基因同時(shí)也在高原人種包括西藏人、夏爾巴人、埃塞俄比亞人和安第斯人的自然選擇基因中被發(fā)現(xiàn)(Jhaetal., 2015)。以上這些結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于昆蟲(chóng)低氧適應(yīng)的研究可以為理解低氧相關(guān)的人類(lèi)疾病機(jī)理提供一定的參考作用，同時(shí)昆蟲(chóng)具有良好的遺傳可操作性，為研究遺傳進(jìn)化和功能驗(yàn)證提供的良好平臺(tái)。

7 展望

昆蟲(chóng)作為世界上分布最為廣泛的生物之一，對(duì)其低氧適應(yīng)的研究無(wú)疑將會(huì)為近代醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供極大的便利。目前對(duì)于昆蟲(chóng)的低氧適應(yīng)研究主要停留在遺傳機(jī)制的研究之上，而存在于遺傳機(jī)制背后更深層的分子機(jī)制依舊是存在不少的空白，例如，有研究證明PTP1B在低氧處理的平原飛蝗中出現(xiàn)了酶活性的上升，但是導(dǎo)致其活性提高的分子機(jī)制需要進(jìn)一步研究；其次，在高原低氧環(huán)境中長(zhǎng)期生存的昆蟲(chóng)能夠保持活躍的能量代謝，而活躍的能量代謝會(huì)增加機(jī)體的氧化壓力，昆蟲(chóng)如何抵御這種氧化壓力的分子機(jī)制尚未明確；除此之外，對(duì)于長(zhǎng)期生活在低氧環(huán)境中的昆蟲(chóng)，如何提高氧氣運(yùn)輸、增加氧氣利用率雖然有相關(guān)報(bào)道，但僅是針對(duì)遺傳機(jī)制的的研究，其背后的分子機(jī)制也沒(méi)有深入探討。對(duì)于這些分子機(jī)制的進(jìn)一步研究，必然是未來(lái)生物科學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，突破這一挑戰(zhàn)不但能更深層次的了解昆蟲(chóng)如此繁盛的原因，更能對(duì)一些重大疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程提供一些豐富的啟示。

致謝:感謝張振宇博士和趙德健博士在文獻(xiàn)收集及編寫(xiě)過(guò)程中給予的幫助。