世世代代生活在高海拔地區(qū)的安第斯山脈和青藏高原的人已經(jīng)適應(yīng)了在低氧條件下的生活。在這樣一個(gè)獨(dú)特的和強(qiáng)大選擇壓力下的生活，使這些人成為教科書中進(jìn)化的例子,，但他們的基因究竟如何傳達(dá)生存優(yōu)勢仍然是一個(gè)懸而未決的問題。現(xiàn)在,，賓夕法尼亞大學(xué)的一個(gè)研究小組在回答這個(gè)問題上取得了新進(jìn)展,，他們用第一個(gè)全基因組研究對擁有高海拔適應(yīng)性的第三個(gè)主要人口進(jìn)行研究：埃塞俄比亞高原的阿姆哈拉人。
令人驚訝的是,，三組的適應(yīng)性似乎都涉及到不同的基因突變,，趨同演化的一個(gè)例子。
"這三組用不同的遺傳方式來解決同一問題",， 通訊作者Sarah Tishkoff說,，他是賓夕法尼亞的佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)系和藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院生物系任用的一個(gè)集成知識教授。
除了Tishkoff以外,，該研究由Laura B. Scheinfeldt主持,，他是佩雷爾曼醫(yī)學(xué)院遺傳學(xué)系的研究型科學(xué)家。參與此研究的遺傳學(xué)系其他成員有：Sameer Soi,、 Simon Thompson,、Alessia Ranciaro、William Beggs、Charla Lambert 和Joseph P. Jarvis,。
賓州大學(xué)的研究小組與阿迪斯阿貝巴大學(xué)生物學(xué)系的Dawit Wolde Meskel,，Dawit Abate 和 Gurja Belay合作研究。
他們的研究結(jié)果發(fā)表今天的Genome Biology上,。
進(jìn)化背后的一個(gè)指導(dǎo)原則是自然選擇,；更適合其環(huán)境的生物才更有可能生存和繁衍后代。在高海拔環(huán)境中,，氧濃度低,，一種使不能習(xí)慣的人迅速患病的條件--甚至殺死。
"為遺傳學(xué)人類學(xué)家",， Scheinfeldt說,，"我們知道，經(jīng)過陽性選擇或者是達(dá)爾文選擇后,，我們期望看到的遺傳變異的什么模式已出現(xiàn),。然后，我們在基因組中尋找這些模式,，設(shè)法利用我們找到的東西的生物學(xué)意義,。"
"對我們來說，這樣做的最簡單方法就是觀察具有很強(qiáng)選擇性壓力的情形：一種具非常高死亡率的疾病,，或是高海撥的缺氧環(huán)境,。這種情況使繁衍后代存在著巨大差異，所以它也給我們更多的力量去尋找其背后的遺傳標(biāo)簽,。"
懷孕婦女對以缺氧為代表的生理壓力特別敏感,，這影響著孩子的出生體重和健康。然而,，對于世代生活在安第斯山脈和青藏高原高海拔地區(qū)的人們,，沒有明顯的不良影響。
值得注意的是,，凱斯西儲大學(xué)（Case Western University）的人類學(xué)家Cynthia Beall,，和威克弗里斯特大學(xué)（Wake Forest University）的Lorna Moore已廣泛記載了他們的生理特性，試圖了解這些人群如何抵消那些孕婦在缺氧環(huán)境通常會(huì)有的問題,。最近,，遺傳學(xué)家們已經(jīng)試圖將這些身體特征（或稱為表現(xiàn)型）與負(fù)責(zé)這些特征的基因（或稱為基因型）關(guān)聯(lián)起來。
研究人員一直想要添加更多的人口進(jìn)行比較,，但是符合標(biāo)準(zhǔn),、生活在海拔3000米以上的埃塞俄比亞高原人、經(jīng)濟(jì),、語言和地理障礙成為數(shù)據(jù)收集的障礙,。
"這是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的研究,。單單后勤，即獲得這樣做的許可證和許可,，就花費(fèi)了我們許多年時(shí)間",， Tishkoff說。
"從這些邊遠(yuǎn)地區(qū)的人口中取樣也很困難",， Simon Thompson說,，他是當(dāng)?shù)厝丝谘芯啃〗M的一部分，"道路不通,，只在尋找可能生活在海撥最高地方的人我們就花了很多時(shí)間,。"
研究人員將阿姆哈拉參與者的基因型與表現(xiàn)型與其他2類生活在低海撥的埃塞俄比亞群體進(jìn)行比較。他們還將阿姆哈拉群體與生活在海平面或海平面周圍的尼日利亞和歐洲的群體進(jìn)行了比較,。
"我們所做的這些比較",， Scheinfeldt說，"找出基因組中高海撥群體與其他群體明顯不同的地方,。這些不同區(qū)域是遺傳變異有助于高海拔適應(yīng)的候選區(qū)域,。最具代表性的2個(gè)均與HIF-1信號通路有關(guān),，它是在缺氧條件下激發(fā)的,。"
安達(dá)斯人和藏族人也都有與缺氧誘導(dǎo)因子- 1通路相關(guān)的突變，但所有三組人群在基因型和表現(xiàn)型上均不同,。表現(xiàn)型的一個(gè)區(qū)別是血紅蛋白相關(guān),，它是運(yùn)輸氧氣的血液的一部分。埃塞俄比亞和安達(dá)斯人的血紅蛋白水平明顯高于低海拔的人口,，但西藏人具有平均水平,。
研究人員在埃塞俄比亞人群中還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)參與線粒體功能的基因突變體。線粒體調(diào)節(jié)三磷酸腺苷（ATP）生產(chǎn),，其中ATP是細(xì)胞用作能源的化學(xué)物質(zhì),，使這個(gè)基因成為另一個(gè)有趣的高海拔適應(yīng)中發(fā)揮作用的候選基因。
這些差異似乎在機(jī)體如何能保持低氧環(huán)境下內(nèi)環(huán)境平衡中發(fā)揮作用,，但更象是明顯的優(yōu)勢,，如更高水平的血紅蛋白，只是更復(fù)雜表型變化的代表,。把他們放到一個(gè)某些基因如何轉(zhuǎn)化成生存優(yōu)勢的大范圍來考慮,，將需要更多的以Tishkoff實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果為基礎(chǔ)的重點(diǎn)研究。
"我們正在一點(diǎn)點(diǎn)琢磨這個(gè)問題",， Scheinfeldt說,，"每一點(diǎn)都有幫助。"
這樣的研究已有希望超越這些人群歷史的理解,。
"以肺生理學(xué)和氧運(yùn)輸?shù)姆绞降倪@類生物醫(yī)學(xué)界研究有很大的興趣",， Tishkoff說,，"如果一個(gè)人能理解這是怎么回事，即擁有這些遺傳適應(yīng)性的人在高海撥下能很好適應(yīng)而其他人卻受折磨,，它能有助于我們更好地了解人體重要系統(tǒng)之一,。"
本研究的經(jīng)費(fèi)來自美國國立衛(wèi)生研究院和國家自然科學(xué)基金。（生物谷bioon.com）
doi:10.1186/gb-2012-13-1-r1
PMC:
PMID:
Genetic adaptation to high altitude in the Ethiopian highlands
Laura B Scheinfeldt, Sameer Soi, Simon Thompson, Alessia Ranciaro, Dawit Wolde Meskel, William Beggs, Charla Lambert, Joseph P Jarvis, Dawit Abate, Gurja Belay, Sarah A Tishkoff
Abstract Background Genomic analysis of high-altitude populations residing in the Andes and Tibet has revealed several candidate loci for involvement in high-altitude adaptation, a subset of which have also been shown to be associated with hemoglobin levels, including EPAS1, EGLN1, and PPARA, which play a role in the HIF-1 pathway. Here, we have extended this work to high and low altitude populations living in Ethiopia for which we have measured hemoglobin levels. We genotyped the Illumina 1M SNP array and employed several genome-wide scans for selection and targeted association with hemoglobin levels to identify genes that play a role in adaptation to high altitude. Results We have identified a set of candidate genes for positive selection in our high-altitude population sample, demonstrated significantly different hemoglobin levels between high and low altitude Ethiopians and have identified a subset of candidate genes for selection, several of which also show suggestive associations with hemoglobin levels. Conclusions We highlight several candidate genes for involvement in high-altitude adaptation in Ethiopia, including CBARA1, VAV3, ARNT2 and THRB. Although most of these genes have not been identified in previous studies of high-altitude Tibetan or Andean population samples, two of these genes (THRB and ARNT2) play a role in the HIF-1 pathway, a pathway implicated in previous work reported in Tibetan and Andean studies. These combined results suggest that adaptation to high altitude arose independently due to convergent evolution in high-altitude Amhara populations in Ethiopia.
