北极熊群体遗传学研究揭示北极极地气候生存

北极熊群体遗传学研究揭示北极极地气候生存的奥秘2014年5月8日来自深圳华大基因研究院、美国加利福利亚大学、丹麦哥本哈根大学等单位的科学家们完整解读了北极熊基因组揭示了北极熊适应北极极地气候之谜。最新成果以封面故事发表在《细胞》（Cell）杂志上。北极熊是一种生活在北极地区处在食物链顶端的大型食肉动物。它生命中的大部分时间是在浮冰上度过的而浮冰易受气候变化影响所以北极熊又通常被当作全球气候变化的一个重要指示器。北极熊被人们所熟知的形象是具有披着雪白外衣的庞大身躯身体脂肪含量十分丰富同时还是赫赫有名的长距离游泳健将。然而全球气候逐渐变暖对北极的生态圈造成了严重影响浮冰的不断融化使得北极熊的栖息地不断减少像许多其他动物一样正面临着巨大的生存压力。为了全面系统地研究北极熊极地气候的适应性科学家们对一只来自欧洲北部的北极熊进行高深度的测序以获取它的全基因组图谱此外还从瑞典、芬兰、美国阿拉斯加冰川公园、阿拉斯加海岸附近的岛屿等地区共选取了79只北极熊和10只棕熊进行了全基因组重测序。研究人员通过对北极熊和棕熊进行比较基因组分析后发现北极熊实际上比之前人们所认为的要更年轻与它的近亲棕熊的分化时间只有不到50万年。这个时间段从进化的尺度上来说是相当短的同比人类约在五百万年前与其近亲黑猩猩分道扬镳。鉴于北极熊和棕熊之间的明显差异这种差异体现在外表和生活习惯等各个方面尤其对于一个体型庞大的哺乳动物而言在极短的时间内能够完成这么大的变化这确实令进化学家们感到惊讶。通过对群体数据进行分析研究人员推算出北极熊的群体大小在2～2.5万之间且处于减少的状态中。值得注意的是它们的栖息地——北极浮冰也在同期时间不断减少。当北半球高纬度地区开始变暖时北极熊的近亲棕熊或者灰熊就更易的向北迁徙这样就增加了它们和北极熊之间发生交配的可能。“两个物种之间可以交配说明它们在进化距离上还十分相近。”文章的通讯作者之一RasmusNielsen教授提到。“北极熊和棕熊的进化距离只有人和黑猩猩之间的十分之一。”他还说到：“它们的分化时间如此之短着实令人惊讶。为适应北极当地环境北极熊所拥有的独特适应性必须要在非常短的时间内进化完成。”这些适应性变化不仅包括皮毛由棕色变成白色身体表面变得更加顺滑而且包括巨大的生理和代谢变化。“关于分化时间问题目前尚有很多争议但是我想我们已经确信它们的分化时间比之前认为的要更短不到50万年。”之前的研究推测北极熊和棕熊的分化时间约在60万至500万年前。通过对基因组中编码蛋白的相关基因进行更深入的分析后研究人员发现很多与脂肪酸代谢和心血管功能相关的基因在北极熊中已经发生了适应性的进化这可能是它之所以能够适应北极极地气候的关键所在。为了适应北极的严寒北极熊明显偏向猎取脂肪含量高的猎物但它却没有像人类罹患由于高脂肪摄入而产生的一系列心血管相关疾病。研究人员推测这些基因很可能在这方面起着关键作用这个发现或将为人类预防或者治疗由于高脂肪摄入而引起的心血管疾病提新的方向和思。“对北极熊而言过度肥胖却是一种健康状态”文章的第一作者之一ElineLorenzen博士说到。“我们很想知道他们是如何做到的。”研究人员发现北极熊在几十万年的进化过程中自然选择使很多与脂肪运输和脂肪酸代谢相关的基因发生了适应性的变化。载脂蛋白B基因（AOB）是其中一个受到强烈正向选择的基因它在哺乳动物中编码低密度脂蛋白（LDL）这种蛋白携带的胆固醇被人们普遍称为“坏胆固醇”。该基因的改变使北极熊即使摄入高脂肪也不会引起高血糖和高血脂等问题。“北极熊的生活基本上是围绕着脂肪而的”Lorenzen说到。“当它刚出生还是幼崽时它所摄入的母奶中的脂肪含量竟高达30%。而当它长大成年后更加会偏好捕食鲸脂含量高的生活在海里的猎物。北极熊的皮下脂肪存储量非常丰富因为身体在分解脂肪时可以额外的产生代谢水能够为它解决因基本生活在极地荒漠而常年淡水不足的问题。”她同时提到“我们知道北极熊大约在10万年之前就已经形成了摄入高鲸脂的猎物的生活习惯所以它必须在短短上十万年的时间内非常快的进化出这种新的代谢方式来。”是什么促使北极熊这一物种诞生及进化目前还不清楚但北极熊与棕熊分化时期（34.3-47.9万年前）恰好与大约跨越了5万年的比较温暖的间冰期（MIS11）重合。可能当时气候变暖使一种远古的熊——棕熊和北极熊的共同祖先可以向北扩大它们的生活领地。而当气候再次回到冰期时一部分迁徙到北极的熊却逐渐适应了北极越来越冷的环境。“北极熊的进化史向人们展示了一种生物是如何快速适应新环境的挑战的”王俊说到“这是由华大基因发起的具有标志性的项目之一。随着更多的基因组数据的公布我们希望能够对动物如何适应环境、生物多样性如何形成这个问题有一个更加全面的了解。”来自哥本哈根大学GeoGenetics中心的EskeWillerslev教授补充到：“为了更进一步的阐明北极熊的进化模式和适应性的过程我们接下来的研究工作会包括对古北极熊的样本进行基因组测序。”文章第一作者刘石平是国家基因库张国捷博士领导的生物多样性基因组研究课题组的成员之一同时也是华南理工大学与华大基因联合培养的博士研究生。目前该研究团队已开展了大量的动物基因组工作以揭示生物多样性的分子驱动力以及生物与环境互动的内在分子机制。北极熊是华大基因发起的三极动物基因组研究项目之一同时发起的还有研究高原适应的藏羚羊基因组与极地企鹅基因组项目。这一工作的发表也是华大基因参与领导的万种脊椎动物基因组项目的重要标志性成果之一。该基因组数据已于三年前在GigaScience杂志上免费公开至今约有五篇研究工作（包括一篇发表于Science的文章）均得益于这一数据。