極地動物基因資源研究現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略

陳松林 ，徐文騰 ，陳張帆

（1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所，山東青島266071；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋漁業(yè)科學(xué)與食物產(chǎn)出過程功能實(shí)驗(yàn)室， 山東青島266237）

一、前言

極地的生存環(huán)境極端惡劣，氣候酷寒干燥，食物資源稀缺，每年長達(dá)數(shù)月的極晝極夜使得生物節(jié)律難以保持，新陳代謝被打亂。極地動物是如何在這種環(huán)境下生存？哪些基因幫助它們調(diào)節(jié)、適應(yīng)極端寒冷和高鹽等環(huán)境，海中魚類如何抗凍？極地陸上動物如何保暖？這些都是極為有趣的科學(xué)問題。然而，長久以來極地以其寒冷的生存環(huán)境嚴(yán)重制約了生命科學(xué)領(lǐng)域的研究，近年來隨著極地勘測和樣品獲取技術(shù)的飛速發(fā)展，極地動物生命科學(xué)領(lǐng)域的研究也取得了長足進(jìn)步。揭秘極地動物，特別是漁業(yè)動物的基因組結(jié)構(gòu)，發(fā)掘功能基因，探究極地動物適應(yīng)寒冷環(huán)境的分子機(jī)制，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且還有重大的應(yīng)用價(jià)值和潛力。

二、極地動物基因資源研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）極地動物基因組研究現(xiàn)狀

1.極地動物基因組研究處于起步階段

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2018年9 月，已進(jìn)行基因組測序的動物種類有380 余種，發(fā)表論文385 篇（見圖1（a）），而現(xiàn)今只有13 種極地動物的基因組發(fā)表在12 篇文章上，比例不足3%（見表1）。當(dāng)然，這與極地動物樣品獲取困難、基因組研究起步較晚有關(guān)。

表1 已完成基因組測序的極地動物

如圖1 所示， 我們可以看到動物基因組研究始于1998年。以2010年為節(jié)點(diǎn)，文章發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)明顯增加趨勢，而在2011年大西洋鱈魚才是第一個(gè)完成基因組測序的極地動物[1]（見圖1（b））。此外，極地動物資源并不像想象中的那么匱乏，盡管極地動物中哺乳動物的種類有限，但魚類的種類可達(dá)數(shù)百種。因此，相對極地動物的多樣性而言，基因組的相關(guān)研究存在明顯的滯后。

2.國外研究機(jī)構(gòu)在極地基因組研究工作中占據(jù)主導(dǎo)地位

除了企鵝以及近期南極美露鱈的基因組文章由我國科學(xué)家領(lǐng)銜完成，其他10 篇極地動物基因組文章的第一單位均來自國外：北極紅點(diǎn)鮭、白鯨（加拿大2 種）、南極蠓、北極熊（美國2 種）、大西洋鱈魚、大西洋鮭魚（挪威2 種）、革首南極魚、扁嘴副帶腭魚、南極橈足類、小須鯨（韓國4 種），見表1。其中大多數(shù)是位于北美或北歐的研究機(jī)構(gòu)，這與他們的地理優(yōu)勢以及長期以來對極地的重視密切相關(guān)。然而值得注意的是，韓國已經(jīng)對革首南極魚、扁嘴副帶腭魚、南極橈足類、小須鯨4 個(gè)物種進(jìn)行了基因組測序，成為完成極地動物基因組測序最多的國家（極地動物基因組工作的國別歸屬均以第一完成單位所在國家為準(zhǔn)）。

（二）極地動物轉(zhuǎn)錄組的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀

極地動物具有獨(dú)特的生物學(xué)現(xiàn)象和性狀，如抗凍魚的抗凍性狀及其缺少血紅細(xì)胞、北極露脊鯨的長壽和不患癌癥等。轉(zhuǎn)錄組是研究基因表達(dá)的重要工具，開展轉(zhuǎn)錄組分析，挖掘功能基因，為產(chǎn)業(yè)化利用提供基因資源，具有重要意義和應(yīng)用潛力。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，人們已對31 種極地動物進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序，其中北極物種有8 個(gè)、南極物種有23 個(gè)。自2008年起，相關(guān)文章陸續(xù)發(fā)表；2013年文章發(fā)表數(shù)量明顯增多，2015年達(dá)到小高峰。此類研究大多在北美和歐洲機(jī)構(gòu)中展開，英美發(fā)表文章占45%，2012年以來，韓國的研究成果增長顯著（見圖2）。

圖1 動物基因組發(fā)表文章數(shù)量（a）和極地動物基因組發(fā)表文章數(shù)量（b）

1.生物對環(huán)境適應(yīng)性的轉(zhuǎn)錄組研究

極地以其極端環(huán)境引起人們對生物在極端環(huán)境下生存機(jī)理的研究興趣。研究主要集中在低溫適應(yīng)、干燥脅迫、海水酸化、海洋變暖等方面。從植物（如南極嗜寒衣藻[13]）、無脊椎動物（如南極線蟲[14]、南極水蚤[15]）到魚類（如博氏南冰鰧[16]、南極美露鱈[17]、獨(dú)角雪冰魚[18]、裸身雅南極魚[19]），學(xué)者們對轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行了測序、組裝，對信號通路進(jìn)行分析，研究這些物種對冷環(huán)境適應(yīng)的分子機(jī)理。

Cocca 等[20]通過cDNA 文庫等手段，發(fā)現(xiàn)南極冰魚發(fā)生了血紅蛋白基因的丟失，導(dǎo)致血液呈現(xiàn)純白色；隨后研究發(fā)現(xiàn)在其中的6 個(gè)物種中肌紅蛋白基因也跟著丟失，使得心臟等器官也呈現(xiàn)白色；血紅蛋白基因丟失使得冰魚對氧氣的運(yùn)輸能力只有10%，可通過皮膚呼吸和心臟變大彌補(bǔ)這種缺失[21]。Xu 等[22]通過轉(zhuǎn)錄組分析進(jìn)一步揭示冰魚通過血紅蛋白基因丟失適應(yīng)低溫的分子機(jī)制。

Shin 等[23]通過對革首南極魚、頭帶冰魚、南極多線魚這3 種南極魚與生活在溫帶氣候的魚類的轉(zhuǎn)錄組比較后發(fā)現(xiàn)，南極魚類的泛素結(jié)合蛋白表達(dá)量較高，而這類蛋白對寒冷環(huán)境下魚體內(nèi)蛋白保持活性狀態(tài)起重要作用。

Bilyk 等[16]發(fā)現(xiàn)泛素蛋白連接酶活性和蛋白泛素化等途徑相關(guān)的基因?qū)Σ┦夏媳屧诤洵h(huán)境中的生存起到了重要作用。Coppe 等[24]發(fā)現(xiàn)獨(dú)角雪冰魚在線粒體生物合成和有氧呼吸過程中，魚體一直保持著基因復(fù)制和較高的線粒體密度，這或許是獨(dú)角雪冰魚在寒冷環(huán)境并缺乏氧運(yùn)輸?shù)鞍椎那闆r下，調(diào)節(jié)自身產(chǎn)能方式和效率，以適應(yīng)外界環(huán)境的一種方式。

圖2 2008—2018年極地動物轉(zhuǎn)錄組發(fā)表文章數(shù)量（a）和發(fā)表的國家統(tǒng)計(jì)（b）

全球氣候變化使人們對兩極動植物的生存問題產(chǎn)生更多關(guān)注。海水酸化、氣溫升高是學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Clark 等[25]發(fā)現(xiàn)，在南極磷蝦轉(zhuǎn)錄組中熱激蛋白（Hsp70、Hsp90）、鐵蛋白、谷胱甘肽S 轉(zhuǎn)移酶（GST）的表達(dá)量較高，可能在磷蝦適應(yīng)環(huán)境變化中起重要作用。Meyer 等[26]通過轉(zhuǎn)錄組測序研究了CO2含量變化對磷蝦的影響以及磷蝦對環(huán)境變化的適應(yīng)性。Buckley 等 [27]報(bào)道了環(huán)境溫度升高過程中伯氏肩孔南極魚的轉(zhuǎn)錄水平上的變化，發(fā)現(xiàn)熱激蛋白表達(dá)量并未有差異，而其他與細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的基因表達(dá)量上調(diào)，說明在全球變暖下伯氏肩孔南極魚對環(huán)境的適應(yīng)性較差。Huth 等[28]則報(bào)道了伯氏肩孔南極魚在海水酸化和氣溫升高的脅迫下，參與代謝轉(zhuǎn)移、DNA 損傷修復(fù)、免疫系統(tǒng)、細(xì)胞凋亡通路的活躍性、細(xì)胞分化調(diào)控等途徑的基因表達(dá)量均較高。

2.生物對污染物應(yīng)激反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄組研究

Andersen 等[29]研究表明，原油污染會造成成纖維細(xì)胞生長因子基因（FGF7）的表達(dá)量大幅上調(diào)，對膽汁富集毒素魚體的肝臟保護(hù)起到重要作用，因此FGF7可作為生物體內(nèi)監(jiān)控原油泄漏的標(biāo)志。Kang 等[30]對污染物處理的南極隱須鉤蝦進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組測序，篩選到658 個(gè)基因可作為潛在的多氯化聯(lián)苯污染標(biāo)志基因、168 個(gè)基因?yàn)闈撛诘娜镣榛撬嵛廴緲?biāo)志基因、367 個(gè)基因?yàn)槿了嵛廴緲?biāo)志基因。Rhee 等[31]以北極綠海膽為材料，研究了多氯聯(lián)苯對生物體的影響。發(fā)現(xiàn)在使用多氯聯(lián)苯處理北極綠海膽48 h 后，其11 個(gè)基因的表達(dá)量大幅上調(diào)，因此這些基因或許可以作為標(biāo)志物，用于環(huán)境中多氯聯(lián)苯的檢測和環(huán)境毒理學(xué)研究。

3.生物發(fā)育階段或不同組織的轉(zhuǎn)錄組分析

極地生物的生長發(fā)育也是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。自Pitta 等[32] 于2008年首次報(bào)道了磷蝦不同組織的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)后，Seear 等[33]篩選出磷蝦蛻殼過程中的26 個(gè)差異表達(dá)基因，分別參與幾丁質(zhì)合成、分化和吸收。海蛇尾的斷肢可以再生，而南極海蛇尾的斷肢再生速度是最慢的。Burns 等[34]通過對南極海蛇尾轉(zhuǎn)錄組的分析，發(fā)現(xiàn)Wnt/β-catenin 信號通路、同源盒基因（Hox）及SRY 盒-SOX 基因家族、TGF-β信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路可能在其斷肢再生過程中發(fā)揮重要作用。Gudbrandsson 等[35]對不同群體的北極紅點(diǎn)鮭的四個(gè)胚胎發(fā)育階段進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)若干生物途徑的基因在胚胎發(fā)育過程中的表達(dá)量有差異，而能量代謝和血液凝結(jié)相關(guān)基因在不同群體的鮭魚中差異表達(dá)；單核苷酸多態(tài)性（SNP）頻率分析表明，不同群體的鮭魚之間存在大范圍遺傳分化。Magnanou 等 [36]對北極紅點(diǎn)鮭不同組織的轉(zhuǎn)錄組進(jìn)行測序，分析了神經(jīng)內(nèi)分泌、代謝、行為等關(guān)鍵生物學(xué)途徑。

4.極地動物功能基因的研究現(xiàn)狀

通過同源克隆、基因組和轉(zhuǎn)錄組測序，獲得一些極地動物的功能基因。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，涉及到30 多個(gè)物種，其中20 多個(gè)是魚類；同時(shí)涉及20 多個(gè)生命過程或功能（見表2）[37～50]。

表2 已研究的功能基因（不完全統(tǒng)計(jì)）

極地地區(qū)的一些魚類具有合成抗凍蛋白的能力，以適應(yīng)極地的低溫生活條件。在斷線真狼綿鳚基因中，共發(fā)現(xiàn)抗凍蛋白III 型有7 個(gè)不同的變體，翻譯成5 個(gè)不同的蛋白亞型；亞型的分化是正向選擇的結(jié)果，說明抗凍蛋白的多樣性對生物體抗低溫有重要作用[37]。南極多線魚和南極鱈魚中的抗凍蛋白IV 型基因序列相似度達(dá)94%，進(jìn)化分析顯示這個(gè)基因在硬骨魚中廣泛存在，并且內(nèi)含子區(qū)域高度保守。兩個(gè)重組蛋白中均結(jié)出星型冰晶，且冰晶的溫度在0.08 ℃，證明了重組蛋白具有抗凍活性。

熱休克蛋白（HSPs）是一類廣泛存在的熱應(yīng)激蛋白，當(dāng)生物體處于高溫暴露時(shí)，就會由熱激發(fā)合成此種蛋白，以保護(hù)自身。在10 ℃的環(huán)境下，南極帽貝HSP70 表達(dá)量可以顯著增高，表明HSP70在南極帽貝調(diào)節(jié)適應(yīng)環(huán)境溫度的過程中起到了重要作用[44]。在伯氏肩孔南極魚、博氏南冰鰧、斷線真狼綿鳚這3 種南極魚中，HSC71 和HSP70 的表達(dá)量隨低溫處理時(shí)間增加而變化。研究表明，在低溫環(huán)境下，蛋白會發(fā)生冷變性或折疊錯(cuò)誤，導(dǎo)致分子伴侶熱擊蛋白的表達(dá)量升高，從而幫助生物體在低溫環(huán)境下生存[45]。

三、問題與挑戰(zhàn)

（一）極地動物基因組解析工作處于起步階段

受限于樣品的獲取技術(shù)，目前只有13 種極地動物完成了全基因組測序，占已進(jìn)行基因組測序并發(fā)表文章的動物種類（380 余種）的3%。相比而言，極地動物基因組測序開展的規(guī)模小、種類少，這與極地相對豐富的動物資源相比遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而且已測序的極地動物中也主要以魚類為主（6 種），還有許多極地動物（如大西洋庸鰈、南極磷蝦）的基因組圖譜尚未見報(bào)道。因此，極地動物基因組研究有著極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（二）極地動物轉(zhuǎn)錄組測序缺乏系統(tǒng)性

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序的極地動物達(dá)31 種，但由于樣品獲取和保存技術(shù)等因素的限制，轉(zhuǎn)錄組方面的研究比較零散，難以系統(tǒng)支撐極地生物特殊性狀的遺傳解析工作。因此，對同一物種的樣品采集進(jìn)行細(xì)化以及對其他極地物種展開批量化轉(zhuǎn)錄組研究，是規(guī)模化發(fā)掘極地動物基因資源的關(guān)鍵，也是進(jìn)行極地動物特殊性狀解析的基礎(chǔ)。

（三）功能基因的研究不夠深入

目前在多種極地動物中初步開展了一些功能基因的研究，但研究手段較單一，主要以描述性分析為主（如克隆基因序列、表達(dá)模式分析等），加之模擬極地生存環(huán)境難度較大，很難開發(fā)出極地模式生物進(jìn)行研究，也沒有相應(yīng)細(xì)胞系等研究材料。這導(dǎo)致在極地動物中缺乏相應(yīng)的基因功能分析平臺，難以對基因功能進(jìn)行驗(yàn)證和深入研究。

（四）極地動物表觀遺傳研究有待開展

表觀遺傳在動物適應(yīng)外界環(huán)境和溫度變化中起著重要作用，而極地的寒冷氣候?qū)O地動物表型影響的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制研究目前尚未見報(bào)道，亟待開展。

（五）極地動物基因應(yīng)用很少

由于極地動物基因在獲取、鑒定和功能分析方面的限制，加上缺少極地動物基因工程產(chǎn)品的研制，迄今極地動物功能基因的應(yīng)用還很薄弱，基因工程產(chǎn)品亟待研發(fā)。

四、 極地動物基因資源發(fā)掘與應(yīng)用研究的技術(shù)需求

（一）系統(tǒng)開展極地動物組學(xué)研究，針對極地漁業(yè)生物特殊性狀展開遺傳解析

系統(tǒng)開展極地動物組學(xué)研究，研發(fā)極地動物樣品獲取和保存技術(shù)。加大以極地漁業(yè)動物為主的基因組測序研究，有針對性地選取對極端環(huán)境適應(yīng)等具有特殊意義的極地動物展開組學(xué)研究，為開展極地動物適應(yīng)性機(jī)制和全球環(huán)境變化影響等研究提供理論依據(jù)。

（二）構(gòu)建極地動物基因功能研究平臺，對特有基因功能進(jìn)行深入研究

進(jìn)行極地動物特殊性狀的遺傳解析，篩選關(guān)鍵的功能基因，建立極地動物細(xì)胞系，探索極地動物的實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖技術(shù)，開發(fā)極地漁業(yè)模式動物，為極地漁業(yè)動物基因功能驗(yàn)證分析提供技術(shù)保障。

（三）開展極地動物適應(yīng)極地生存環(huán)境的機(jī)制解析

極地動物特殊的適應(yīng)性為研究環(huán)境與基因互作最終形成特定表型提供了理想材料。在極地動物中開展表觀遺傳學(xué)研究，有助于分析極地極寒環(huán)境對極地動物基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。極地魚類一般生長代謝緩慢、生命周期長，但是也有一些魚類生長速度不亞于常溫下的魚類。例如大西洋庸鰈，作為冷水性魚類，耐低溫能力強(qiáng)，生長速度快，2年內(nèi)可從0.25 kg 長到2.5 kg。對大西洋庸鰈的全基因組測序和精細(xì)圖譜繪制，有助于解析大西洋庸鰈生長代謝的分子機(jī)制，可為其他鲆鰈魚類和海水魚類的養(yǎng)殖提供創(chuàng)新思路和基因資源。

（四）加強(qiáng)極地動物基因工程產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用研究

基因組研究的最終目的就是開發(fā)出能夠應(yīng)用的基因，研制基因工程產(chǎn)品。以抗凍蛋白為例，已廣泛應(yīng)用于食品添加劑、作物抗寒等領(lǐng)域，但現(xiàn)在的主要來源是提取天然抗凍蛋白，產(chǎn)量受到極大限制；而通過基因工程技術(shù)則可以規(guī)模化生產(chǎn)抗凍蛋白，實(shí)現(xiàn)抗凍蛋白在細(xì)胞和組織冷凍保存、食品、醫(yī)藥、化妝品等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。此外，開展南極魚類低溫酶基因工程產(chǎn)品的研發(fā)，開發(fā)其作為洗衣粉添加劑、消毒劑的應(yīng)用途徑也具有重要意義和應(yīng)用前景。

五、對策建議

（一）發(fā)展目標(biāo)（2025年和2035年）

到2025年，完成5～10 種極地魚類和南極磷蝦等重要極地漁業(yè)生物的全基因組測序，揭示重要極地漁業(yè)動物適應(yīng)特殊生存環(huán)境的分子機(jī)制；在模式魚類或魚類細(xì)胞系中通過基因編輯技術(shù)對極地魚類候選基因的功能進(jìn)行驗(yàn)證；探索適于極地動物暫養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)室條件，為建立極地動物功能驗(yàn)證平臺提供支撐。

到2035年，建立較為完善的極地動物基因資源發(fā)掘平臺，完成20 種以上極地漁業(yè)動物基因組解析；完成3～5 個(gè)極地漁業(yè)動物特殊性狀的遺傳解析計(jì)劃，鑒定一批在極地生存環(huán)境適應(yīng)過程中的關(guān)鍵基因；完善極地動物細(xì)胞系建立技術(shù)；實(shí)現(xiàn)極地動物的實(shí)驗(yàn)室暫養(yǎng)和長期培養(yǎng)，應(yīng)用于功能基因的深入研究；挑選合適的候選基因，研發(fā)1～2 種極地漁業(yè)動物的基因工程產(chǎn)品，進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。

（二）重點(diǎn)任務(wù)

1.極地漁業(yè)動物特殊性狀的遺傳解析

加強(qiáng)對極地重要漁業(yè)動物基因組和轉(zhuǎn)錄組研究，增加測序的物種種類，有針對性地對特殊性狀展開遺傳解析；開展極地漁業(yè)動物表觀遺傳學(xué)及其調(diào)控動物適應(yīng)寒冷機(jī)制的研究；作為對生態(tài)系統(tǒng)和產(chǎn)物資源都具有戰(zhàn)略意義的物種，南極磷蝦和大西洋庸鰈等極地漁業(yè)動物基因組的精細(xì)圖譜值得開展系統(tǒng)、細(xì)致的繪制。

2.極地動物特有基因的功能驗(yàn)證

深入挖掘和分析極地動物的基因組和轉(zhuǎn)錄組，篩選極地動物特有基因（或進(jìn)化出特殊功能的基因）；在模式魚類或魚類細(xì)胞系中，利用基因編輯技術(shù)、過表達(dá)技術(shù)、轉(zhuǎn)基因技術(shù)，對基因功能進(jìn)行驗(yàn)證和研究；探索極地動物的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件，建立極地動物基因功能研究平臺。

3.極地漁業(yè)動物基因工程產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用

在極地動物抗寒、抗病、抗癌、快速生長、長壽等方面，針對已驗(yàn)證功能的基因，通過基因工程技術(shù)獲得抗凍蛋白、低溫酶、快速生長等基因工程產(chǎn)物，探索其在食品、醫(yī)藥、日用、水產(chǎn)養(yǎng)殖等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，實(shí)現(xiàn)基因資源的成果轉(zhuǎn)化和利用，為這些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)增值提效提供基因資源和產(chǎn)品。

（三）重大科技工程建議

建議設(shè)立極地漁業(yè)生物基因資源發(fā)掘與應(yīng)用的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)，重點(diǎn)支持如下方向：①極地魚類和南極磷蝦等極地重要漁業(yè)動物全基因組測序及精細(xì)圖譜繪制；②極地漁業(yè)動物特殊性狀的遺傳解析；③極地漁業(yè)動物細(xì)胞培養(yǎng)與細(xì)胞系建立；④極地漁業(yè)動物基因工程產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用。