解码鳄鱼血突变使其成为氧气运输赢家

它可以以每小时50多英里的速度前进，一次跳跃30多英尺。但是，这种白金牌的运动能力在撒哈拉以南的河边被搁置一旁，这是小黑斑羚在100度高温下安静地喝水的生死之源。

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洗礼。当看不见的顶级捕食者从水中鞭打以抓住斑羚时，它臭名昭著的牙齿会咬住后躯，下颚紧紧咬着 5，000 磅的力量。然而，杀戮的是水本身，深呼吸的爬行动物拖着猎物到深渊淹死。

鳄鱼伏击的成功在于纳米级水肺罐 - 血红蛋白 - 通过其血液，以缓慢但稳定的速度将氧气从肺部卸载到组织，使其能够在没有空气的情况下运行数小时。这种专门的血红蛋白的超效率使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，鳄鱼是唯一一个找到这种最佳解决方案来充分利用呼吸的群体。

通过统计重建和实验复活主龙的血红蛋白，2.4亿年前所有鳄鱼和鸟类的祖先，内布拉斯加大学林肯分校的Jay Storz及其同事收集了新的见解。鳄鱼血红蛋白的独特特性并不像早期的研究表明的那样只需要几个关键突变，而是源于21个相互关联的突变，这些突变散落在红细胞的复杂成分中。

研究人员说，这种复杂性，以及任何一个突变都可以在血红蛋白中诱发的多重连锁反应，可能已经形成了一条如此迷宫般的进化道路，以至于大自然即使在数千万年的时间里也未能追溯它。

“如果这是一个如此简单的技巧 - 如果它很容易做到，只需做出一些改变 - 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教授Willa Cather说。

所有血红蛋白在游动血液并最终将氧气释放到依赖它的组织之前与肺部的氧气结合。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，这些分子通过将自身附着在血红蛋白上，可以诱导它释放其宝贵的货物。

但在鳄鱼——鳄鱼、短吻鳄和它们的亲属——中，有机磷酸盐的作用被一种分子——碳酸氢盐所取代，这种分子是由二氧化碳分解产生的。由于勤劳的组织会产生大量的二氧化碳，它们也会间接产生大量的碳酸氢盐，这反过来又鼓励血红蛋白将其氧气分配到最需要它的组织。

“这是一个超级高效的系统，提供了一种缓慢释放机制，允许鳄鱼有效地利用它们的船上氧气储存，”Storz说。“这是他们能够在水下呆这么久的部分原因。

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，研究氧气运输奇迹是如何形成的。

先前了解其进化的努力涉及将已知的突变整合到人类血红蛋白中，并寻找任何功能变化，而这些功能变化通常很少。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的血红蛋白之间存在很多差异。

“重要的是了解突变对它们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横向比较，”Storz说。“通过使用这种方法，你可以弄清楚实际发生了什么。

因此，在生化原理和统计数据的帮助下，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。在实验室中对所有三种复活的血红蛋白进行检测后，研究小组证实，只有直接鳄鱼祖先的血红蛋白缺乏磷酸盐结合，并具有碳酸氢盐敏感性。

比较主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骼的关节 - 这可能已被证明是重要的。为了测试这些突变，Storz和他的同事开始将某些鳄鱼特异性突变引入祖先主龙血红蛋白中。通过确定使主龙血红蛋白表现得更像现代鳄鱼的突变，该团队将负责这些独特的鳄鱼特异性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的反应性的进化变化是由不同的突变组驱动的，因此一种机制的增益不依赖于另一种机制的损失。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，但需要多个其他突变来消除磷酸盐敏感性。以大致相同的方式，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容易错过的突变相结合或之前。

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影响总和的功能变化。对自身不产生功能影响的突变可能会以多种方式为其他突变开辟一条道路，并产生明确、直接的后果。他说，同样，如果没有适当的舞台设置前辈，这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压或阻碍。

“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，”Storz说。“有了祖先主龙的血红蛋白，你就有了遗传背景，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，可能有某种方式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结构环境中工作。

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困难。

“我们不能只是说，'好吧，这主要是由于这五种突变。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相同确切特性的突变，我们也将能够在水下停留两个小时，'“Storz说。“事实证明，事实并非如此。

“生命之树中有很多无法从这里到达那里的问题。

Storz，Natarajan和Bautista与现在在曼尼托巴大学的Signore一起进行了这项研究;奥胡斯大学的安吉拉·法戈;密西西比州立大学的费德里科·霍夫曼;和横滨市立大学的杰里米·塔姆。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。