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(公安部南京警犬研究所，江蘇 南京 210012)

氧氣是生物有機(jī)體進(jìn)行新陳代謝的必要因素。低氧是高原地區(qū)最主要的環(huán)境限制性因子之一，隨著海拔的升高，氧氣進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)變得較為困難，導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體缺氧，進(jìn)而影響機(jī)體的能量代謝和生理行為，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致組織壞死。世居高原的動(dòng)物和人機(jī)體會(huì)出現(xiàn)一系列的生理性適應(yīng)性改變，包括毛細(xì)血管數(shù)量和密度增加、肺血管阻力下降、無(wú)氧代謝能力增強(qiáng)、低氧誘導(dǎo)因子激活等，這些生理適應(yīng)性改變是在長(zhǎng)時(shí)間的演化過(guò)程中形成的，以便于更好的應(yīng)對(duì)高原低氧環(huán)境。

為了維護(hù)高原地區(qū)的安全和穩(wěn)定，公安機(jī)關(guān)對(duì)于適應(yīng)高原環(huán)境的警犬的需求日趨強(qiáng)烈。而目前我國(guó)高原地區(qū)警犬大部分都是從低海拔地區(qū)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)去的，由于都是在低海拔地區(qū)生長(zhǎng)訓(xùn)練的犬，到了高海拔地區(qū)后大部分犬會(huì)產(chǎn)生不同程度的高原反應(yīng)，從而影響工作。為了克服這種現(xiàn)象，本文從高原犬血液學(xué)特征、肺組織的結(jié)構(gòu)和功能、低氧適應(yīng)基因等方面對(duì)世居高原的犬低氧適應(yīng)性進(jìn)行分析、綜述，以期為有高原反應(yīng)的警犬提供合理的治療方法，同時(shí)為培育適應(yīng)高原低氧環(huán)境的警犬提供理論依據(jù)。

1 高原犬的血液學(xué)特征

在生物體內(nèi)，紅細(xì)胞和血紅蛋白負(fù)責(zé)氧氣的運(yùn)輸，以滿(mǎn)足機(jī)體對(duì)氧氣的需要。紅細(xì)胞數(shù)和血紅蛋白增多是許多生活在高原環(huán)境動(dòng)物的血液學(xué)特征。有研究報(bào)道，與平原地區(qū)犬種相比，高原地區(qū)犬有著較低的紅細(xì)胞比容、平均紅細(xì)胞體積，但紅細(xì)胞平均血紅蛋白濃度顯著高于平原地區(qū)犬種。血液紅細(xì)胞比容和平均紅細(xì)胞體積小，有利于降低血液的粘稠度，減小血液循環(huán)阻力，保證血液的流動(dòng)速度，減輕心臟負(fù)擔(dān)，提高血液運(yùn)輸氧氣的能力。高原犬低紅細(xì)胞比容和低平均紅細(xì)胞體積的血液性狀與高原鼠兔、高原鼢鼠以及藏羚羊的血液性狀相類(lèi)似。

2 高原犬肺組織的結(jié)構(gòu)與功能

肺不僅參與氧氣和二氧化碳的交換，而且還是機(jī)體很多物質(zhì)合成和代謝的場(chǎng)所，是呼吸系統(tǒng)中重要的功能器官。世居高原地區(qū)最典型的犬種是藏獒。藏獒的肺組織結(jié)構(gòu)與平原地區(qū)犬相比有明顯的特點(diǎn)。藏獒的肺臟較大，比同等體型的犬大三分之一以上，肺活量比其他犬種也大的多。有研究報(bào)道，藏獒肺胸膜較厚，有大量的彈性纖維和膠原纖維，肺表面有很多高低不平的皺襞，這種結(jié)構(gòu)有利于肺在機(jī)體強(qiáng)烈呼吸時(shí)的擴(kuò)張與回縮。藏獒肺泡隔內(nèi)有許多毛細(xì)血管，這些血管呈擴(kuò)張狀態(tài)，其內(nèi)有大量紅細(xì)胞，這對(duì)增加氧氣的運(yùn)輸和肺泡通氣至關(guān)重要。高原兔和藏羊的肺組織也有相似的觀(guān)察結(jié)果。此外，藏獒肺呼吸部有發(fā)達(dá)的多分支肺泡管，這種肺泡管構(gòu)成了肺的主要空間支架，在其周?chē)B通著大量呈萎陷狀態(tài)的肺泡。在正常情況下，藏獒的呼吸主要靠肺泡管以及近周的肺泡和血管完成，而當(dāng)劇烈奔跑時(shí)，才會(huì)動(dòng)用到那些大量呈萎陷狀態(tài)的肺泡，這樣藏獒也就擁有比平原動(dòng)物大得多的貯備力。這些都是藏獒適應(yīng)高原低氧環(huán)境的重要機(jī)制。

3 高原低氧適應(yīng)相關(guān)基因

3.1 內(nèi)皮PAS1蛋白(EPAS1)基因

EPAS1是1997年在內(nèi)皮細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)的，該基因是低氧誘導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵基因，與低氧誘導(dǎo)的正性調(diào)節(jié)相關(guān)，參與紅細(xì)胞生成素、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、內(nèi)皮型一氧化氮合酶相關(guān)基因的上游調(diào)節(jié)。EPAS1主要在肺、胎盤(pán)和內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)，在低氧環(huán)境下，EPAS1基因編碼合成的低氧誘導(dǎo)因子2α蛋白(HIF-2α)明顯升高，從而誘導(dǎo)眾多抗低氧基因的表達(dá)，參與細(xì)胞內(nèi)氧平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)，在低氧適應(yīng)機(jī)制中發(fā)揮重要作用。有研究報(bào)道，EPAS1基因與藏族人低血紅蛋白濃度呈強(qiáng)相關(guān)，且在低海拔人群和高海拔人群中存在明顯差異。在犬中，EPAS1基因也編碼HIF-2α蛋白。有學(xué)者在高原犬類(lèi)的EPAS1基因中發(fā)現(xiàn)了四個(gè)相關(guān)的非同義突變，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)也證明其中一個(gè)突變位點(diǎn)在高原犬中突變型等位基因頻率達(dá)到95%，而平原犬中這一數(shù)值僅為4.9%。此結(jié)果說(shuō)明，EPAS1基因在高原犬的低氧適應(yīng)機(jī)制中起到至關(guān)重要的作用。

3.2 血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子基因(VEGF)

VEGF又稱(chēng)血管通透因子，廣泛分布于人和動(dòng)物的各個(gè)組織，是內(nèi)皮細(xì)胞增殖和血管再生的關(guān)鍵調(diào)控因子。有研究稱(chēng)，動(dòng)物組織微血管密度的大小與其對(duì)低氧的適應(yīng)性有關(guān)，而VEGF基因的表達(dá)水平又與微血管密度成正相關(guān)。低氧環(huán)境可以刺激VEGF-A及其受體在動(dòng)物和人組織細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞中發(fā)揮促進(jìn)新生血管內(nèi)皮增殖及增加血管通透性的功能。此外，VEGF是低氧誘導(dǎo)因子1(HIF-1)的下游調(diào)控基因，低氧可以通過(guò)對(duì)HIF-1表達(dá)的調(diào)控進(jìn)而影響VEGF基因的表達(dá)〗。有研究報(bào)道，高海拔地區(qū)人群血清VEGF水平顯著高于低海拔人群。高原鼢鼠骨骼肌VEGF165基因表達(dá)水平顯著高于SD大鼠。對(duì)于犬而言，2 300 m海拔的犬VEGF水平顯著高于處于海拔700～900 m的犬。高海拔地區(qū)犬VEGF的表達(dá)量高可能是犬高原適應(yīng)性的機(jī)制之一。

3.3 促紅細(xì)胞生成素基因(EPO)

EPO主要由腎臟腎小管旁細(xì)胞產(chǎn)生，是一類(lèi)重要的細(xì)胞因子。EPO能促使造血干細(xì)胞分化，對(duì)紅細(xì)胞生成有決定性的作用，是最早發(fā)現(xiàn)與低氧有關(guān)的基因。在機(jī)體供氧不足的情況下，EPO基因表達(dá)水平明顯升高。EPO是通過(guò)增加紅細(xì)胞壓積與血液粘稠度來(lái)提高血液的攜氧能力，進(jìn)而改善高原性缺氧的癥狀。EPO和VEGF相同，也是HIF-1的下游調(diào)控基因，低氧通過(guò)改變HIF-1的表達(dá)進(jìn)而影響EPO的水平。此外，EPO還有很強(qiáng)的促血管生長(zhǎng)作用。有研究報(bào)道，不同海拔高原鼢鼠肝臟和腎臟EPO基因的相對(duì)表達(dá)量隨海拔升高而顯著增加。藏豬EPO基因表達(dá)量顯著高于低海拔地區(qū)的豬。在犬中，有研究報(bào)道，海拔2 300 m的犬來(lái)到海拔3 500 m時(shí)， EPO的水平顯著升高。目前在犬上對(duì)于EPO和高原適應(yīng)性之間的研究還僅限于生理改變上的描述，對(duì)于其基因的研究并沒(méi)有深入。

3.4 血紅蛋白β基因(HBB)

血紅蛋白由血紅素和珠蛋白結(jié)合而成，起著運(yùn)輸氧氣和二氧化碳，維持血液酸堿平衡的作用。HBB基因編碼的β肽鏈組成的β珠蛋白是構(gòu)成血紅蛋白的重要組成因素。有研究報(bào)道，在氧氣從肺部輸送交換至全身各器官的過(guò)程中，HBB基因發(fā)揮了重要的作用。對(duì)安第斯蜂鳥(niǎo)和高原鹿鼠的研究表明，高原低氧環(huán)境會(huì)使血紅蛋白α和β鏈發(fā)生突變，影響血紅蛋白與氧的親和力，進(jìn)而影響對(duì)氧氣的利用效率。有學(xué)者采用了全基因組深度測(cè)序的方法，在不同海拔犬類(lèi)的基因組中鑒定到高度分化的區(qū)域，其中就包括HBB基因。高原犬HBB基因中有兩個(gè)非同義突變，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)證明，HBB的突變型等位基因頻率在高原犬中為86.4%，在低海拔犬中僅為17.7%，由此證明，HBB基因在高原犬的低氧適應(yīng)過(guò)程中至關(guān)重要。

3.5 Sirtuin7(SIRT7)

SIRT7是Sirtuins蛋白家族(組蛋白去乙?；割?lèi))中的一員，主要定位于核仁，是RNA聚合酶I復(fù)合物的一部分，對(duì)特定底物具有脫乙?；锩傅幕钚?，可通過(guò)多種途徑進(jìn)行調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、蛋白合成以及細(xì)胞應(yīng)激等過(guò)程。此外，SIRT7還參與相關(guān)疾病的進(jìn)程。SIRT7缺失的小鼠會(huì)導(dǎo)致p53高乙?；?，從而導(dǎo)致心肌肥大和炎癥性心肌病。有研究報(bào)道，SIRT7在有或無(wú)催化活性的條件下都能下調(diào)HIF，SIRT7通過(guò)羥基化作用于HIF介導(dǎo)的蛋白質(zhì)。相反，低水平的SIRT7能夠增加HIF的表達(dá)和轉(zhuǎn)錄活性。通過(guò)對(duì)高原犬的基因組圖譜分析發(fā)現(xiàn)，SIRT7是與犬高原適應(yīng)性相關(guān)的候選基因，但其具體的功能還需進(jìn)一步深入研究。

4 小結(jié)

目前，我國(guó)高原地區(qū)對(duì)于警犬的需求日趨強(qiáng)烈，對(duì)犬低氧適應(yīng)機(jī)制的研究有助于為有高原反應(yīng)的犬提供合理有效的治療方法，同時(shí)，也能為培育適應(yīng)高原低氧環(huán)境的犬提供理論依據(jù)。鑒于目前對(duì)高原犬低氧適應(yīng)機(jī)制的研究不夠深入的情況，研究者們應(yīng)整合目前所發(fā)現(xiàn)的所有犬高原適應(yīng)性研究的相關(guān)基因的分子機(jī)制和生理基礎(chǔ)，將研究重心放在這些基因的變異是否有助于改善犬的高原反應(yīng)上。同時(shí)，利用現(xiàn)代分子生物學(xué)的方法，探索和驗(yàn)證相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。相信隨著研究的進(jìn)一步深入，更多犬高原低氧相關(guān)基因及其作用機(jī)制將被發(fā)現(xiàn)，這將為培育適應(yīng)高原低氧環(huán)境的犬的研究提供目標(biāo)基因，對(duì)警犬事業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。