研究揭开了鳄鱼血红蛋白的神秘面纱

它可以以每小时 50 多英里的速度弹跳，单次跳跃 30 多英尺。但是，在撒哈拉以南的河边，这种白金奖牌的运动能力半途而废，那里是易受惊的黑斑羚的生死之源，它在 100 度的高温下静静地喝水。

在过去的一个小时里，一条尼罗河鳄鱼在同一条泥泞的河流中默默地为自己洗礼。当看不见的顶级捕食者从水中猛击以抓住黑斑羚时，它臭名昭著的牙齿咬住后躯，用 5,000 磅的力量咬紧牙关。然而，杀戮的是水本身，深呼吸的爬行动物将猎物拖到深处淹死。

鳄鱼伏击的成功在于纳米级水肺罐——血红蛋白——在它的血液中流动，以缓慢但稳定的速度将氧气从肺部输送到组织，使其能够在没有空气的情况下存活数小时。这种专门的血红蛋白的超高效率让一些生物学家想知道，为什么在世界上所有的有颌脊椎动物中，鳄鱼是唯一找到这种最佳解决方案来充分利用呼吸的群体。

内布拉斯加大学林肯分校的 Jay Storz 及其同事通过统计重建和实验复活始祖龙(所有鳄鱼和鸟类的 2.4 亿年前的祖先)的血红蛋白，对其中的原因收集到了新的见解。鳄鱼血红蛋白的独特特性并不像早期研究表明的那样只需要几个关键突变，而是源于散布在红细胞复杂成分中的 21 个相互关联的突变。

研究人员说，这种复杂性，以及任何一个突变都可能在血红蛋白中引发的多重连锁反应，可能已经形成了一条如此曲折的进化路径，以至于大自然甚至在数千万年的时间里都无法追溯它。

“如果这是一个如此简单的把戏——如果它那么容易做到，只需做一些改变——每个人都会这样做，”该研究的资深作者、内布拉斯加州生物科学 Willa Cather 教授斯托兹说。

所有血红蛋白在游动血液之前都会与肺部的氧气结合，并最终将氧气释放到依赖氧气的组织中。在大多数脊椎动物中，血红蛋白捕获和保持氧气的亲和力主要由称为有机磷酸盐的分子决定，这些分子通过附着在血红蛋白上，可以诱导它释放宝贵的货物。

但在鳄鱼——鳄鱼、短吻鳄及其亲属——中，有机磷酸盐的作用被二氧化碳分解产生的碳酸氢盐分子所取代。因为勤奋工作的组织会产生大量二氧化碳，它们也会间接产生大量碳酸氢盐，这反过来会促使血红蛋白将其氧气分配给最需要它的组织。

“这是一个超级高效的系统，提供了一种缓释机制，使鳄鱼能够有效地利用机载氧气储存，”斯托兹说。“这是他们能够在水下待这么久的部分原因。”

作为 Storz 实验室的博士后研究人员，Chandrasekhar Natarajan、Tony Signore 和 Naim Bautista 已经帮助破译了鳄鱼血红蛋白的工作原理。与来自丹麦、加拿大、和日本的同事一起，Storz 的团队决定开始一项多学科研究，研究氧气输送奇迹是如何形成的。

之前了解其进化的努力涉及将已知突变整合到人类血红蛋白中，并寻找通常很少见的任何功能变化。他自己实​​验室的最新发现使 Storz 相信这种方法是有缺陷的。毕竟，人类血红蛋白与现代鳄鱼进化而来的古代爬行动物之间存在很多差异。

“重要的是了解突变对其实际进化的遗传背景的影响，这意味着在祖先和后代蛋白质之间进行垂直比较，而不是当代物种蛋白质之间的水平比较，”Storz 说。“通过使用这种方法，你可以弄清楚到底发生了什么。”

因此，在生化原理和统计学的帮助下，该团队着手从三个来源重建血红蛋白蓝图：2.4 亿年前的主龙类祖先;所有鸟类的最后共同祖先;以及 8000 万年前当代鳄鱼的共同祖先。在对所有三种复活的血红蛋白进行实验室测试后，研究小组证实，只有鳄鱼直接祖先的血红蛋白缺乏磷酸盐结合，并具有碳酸氢盐敏感性。

比较始祖龙和鳄鱼祖先的血红蛋白蓝图也有助于确定氨基酸的变化——基本上是血红蛋白骨架的关节——这可能被证明很重要。为了测试这些突变，Storz 和他的同事开始将某些鳄鱼特有的突变引入祖先的血红蛋白中。通过确定使始祖龙血红蛋白表现得更像现代鳄鱼血红蛋白的突变，该团队将导致这些独特的鳄鱼特有特性的变化拼凑在一起。

与传统观点相反，Storz 和他的同事发现，血红蛋白对碳酸氢盐和磷酸盐反应性的进化变化是由不同组的突变驱动的，因此一种机制的获得并不依赖于另一种机制的丧失。他们的比较还表明，尽管一些突变足以减去磷酸盐结合位点，但还需要多个其他突变才能一起消除磷酸盐敏感性。以几乎相同的方式，两个突变似乎直接推动了碳酸氢盐敏感性的出现——但只有当与血红蛋白偏远区域的其他易于遗漏的突变结合或先于其他突变时才会出现。

Storz 说，这些发现说明了这样一个事实，即突变的组合可能会产生超越其个体效应总和的功能变化。一个本身不产生功能性影响的突变可能会以多种方式为其他突变开辟一条道路，产生明确、直接的后果。同样，他说，如果没有适当的舞台设置前辈已经到位，那些后来的突变可能影响不大。所有这些因素都可以被它们展开的环境所增强或埋伏。

“当你有这些复杂的相互作用时，这表明某些进化解决方案只能从某些祖先的起点获得，”斯托兹说。“有了祖龙血红蛋白的祖先，你就有了一个遗传背景，可以进化出我们在现代鳄鱼血红蛋白中看到的独特特性。相比之下，以哺乳动物的祖先为起点，可能有某种方法可以进化出相同的特性，但它必须通过完全不同的分子机制，因为你在一个完全不同的环境中工作结构背景。”

Storz 说，无论好坏，这项研究还有助于解释设计一种可以模仿和接近鳄鱼性能的人类血红蛋白的难度。

“我们不能只是说，‘好吧，这主要是由于这五个突变。如果我们采用人类血红蛋白并引入这些突变，瞧，我们将拥有一个具有完全相同特性的人，我们也将能够在水下停留两个小时，”Storz 说。“事实证明并非如此。

“生命之树中有很多无法从这里到达那里的问题。”

Storz、Natarajan 和 Bautista 与现在曼尼托巴大学的 Signore 一起进行了这项研究;奥胡斯大学的 Angela Fago;密西西比州立大学的 Federico Hoffmann;和横滨市立大学的 Jeremy Tame。研究人员在《当代生物学》杂志上详细介绍了他们的发现，并得到了国家科学基金会和国立卫生研究院的支持。