【Science】让藏族人适应高原反应的关键基因
Science：让藏族人适应高原反应的关键基因
2010/09/22 05:55:00
深圳华大基因研究院发现青藏高原世居藏族人群高原适应的关键基因，有关这一科研成果的论文《50个全外显子测序揭示人类的高原适应机制》在最新一期美国权威学术刊物《科学》上正式发表。该成果由深圳华大基因研究院发起和主导，得到了国家自然科学基金委员会、国家科技部、中国科学院、深圳市政府以及丹麦、美国、瑞士等国自然科学基金委员会的支持。
这一成果揭示了青藏高原世居藏族人群高原适应的分子机制之谜，对预测、预防与治疗高原缺氧性疾病，促进我国高原地区社会和经济发展具有重大意义；该成果阐明了人类的基因组在极端环境下发生了何种适应性变化，具有改写人类分子进化教科书的意义。
青藏高原是世界上海拔最高、面积最大的高原，素有“世界屋脊”之称，极高海拔也使得青藏高原具有独特的地理气候环境、人文生活习惯和医疗卫生事业状 况。高原环境对人体关键的影响因素是低压性低氧，大气压力随海拔增高而降低，氧分压也随之下降。当生活在低海拔地区的人来到高原环境时，由于氧分压的降 低，会使人产生缺氧，因而引起“高原反应”，严重的“高原反应”会引起肺水肿和脑水肿，威胁到人的生命。而世居高原的人群在这样的环境下没有“高原反 应”，将世居高原人群与低海拔人群的基因组进行对比分析，具有重要的启发意义。
藏族人群是世界上居住高原时间最长，并对高原低氧环境适应能力最佳的民族，本研究使用比较基因组学的方法阐明了高原世居藏族人群的低氧适应机制。 “应用先进的基因组学分析技术——全外显子测序技术，对青藏高原世居藏族人群和低海拔人群进行比较，我们发现了藏族人群适应高原环境的关键基因。”该研究 负责人、深圳华大基因研究院汪建研究员说。利用第二代高通量测序技术对50个藏族人的全基因组外显子进行测序，并将结果与低海拔汉族人群以及高加索人群的 外显子进行对比，通过一套新开发的寻找自然选择信号的算法，计算出在藏族人群中受到自然选择的基因。这些受到自然选择的基因，就可能是在藏族人群高原适应 中起着重要作用的基因。结果显示，有一系列基因在藏族人群的高原适应中发挥作用，其中EPAS1基因可能起着关键作用。进一步通过对藏族人群中EPAS1 基因的改变位点进行关联分析，发现EPAS1基因中受选择的基因型与藏族人群血红蛋白的代谢有关。EPAS1基因是HIF通路（低氧诱导调节通路）中的重 要基因，在人体面对低氧环境的调节通路中起到核心作用。藏族人群特有的“EPAS1”基因不同于汉族人群，正是这种遗传基因阻止了藏族人血红蛋白浓度的过 度升高，降低了各种高原性疾病发生的可能性。由于EPAS1基因与缺氧及血红蛋白生成密切相关，对这一基因的研究还有可能对某些血液性疾病的治疗带来突 破，并且还可应用于运动员的筛选等方面。
同时，该成果发现了其它一些重要的高原适应相关基因，例如EGLN1基因、FANCA基因等共30个重要候选基因。这些基因可能在藏族人群的高原适 应机制中发挥重要的作用，但是其明确的生理生化表型仍不是很确定，这为科学家们下一步对高原缺氧性疾病的研究指明了方向。这是我国在高原医学研究中的重要 基础性突破，必将带动相关的基础研究和应用研究的发展。
Science DOI: 10.1126/science.1190371
Sequencing of 50 Human Exomes Reveals Adaptation to High Altitude
Xin Yi, Yu Liang, Emilia Huerta-Sanchez, Xin Jin, Zha Xi Ping Cuo, John E. Pool, Xun Xu, Hui Jiang, Nicolas Vinckenbosch, Thorfinn Sand Korneliussen, Hancheng Zheng, Tao Liu, Weiming He, Kui Li, Ruibang Luo, Xifang Nie, Honglong Wu, Meiru Zhao, Hongzhi Cao, Jing Zou, Ying Shan, Shuzheng Li, Qi Yang, Asan, Peixiang Ni, Geng Tian, Junming Xu, Xiao Liu, Tao Jiang, Renhua Wu, Guangyu Zhou, Meifang Tang, Junjie Qin, Tong Wang, Shuijian Feng, Guohong Li, Huasang, Jiangbai Luosang, Wei Wang, Fang Chen, Yading Wang, Xiaoguang Zheng, Zhuo Li, Zhuoma Bianba, Ge Yang, Xinping Wang, Shuhui Tang, Guoyi Gao, Yong Chen, Zhen Luo, Lamu Gusang, Zheng Cao, Qinghui Zhang, Weihan Ouyang, Xiaoli Ren, Huiqing Liang, Huisong Zheng, Yebo Huang, Jingxiang Li, Lars Bolund, Karsten Kristiansen, Yingrui Li, Yong Zhang, Xiuqing Zhang, Ruiqiang Li, Songgang Li, Huanming Yang, Rasmus Nielsen, Jun Wang, Jian Wang,
Residents of the Tibetan Plateau show heritable adaptations to extreme altitude. We sequenced 50 exomes of ethnic Tibetans, encompassing coding sequences of 92% of human genes, with an average coverage of 18x per individual. Genes showing population-specific allele frequency changes, which represent strong candidates for altitude adaptation, were identified. The strongest signal of natural selection came from endothelial Per-Arnt-Sim (PAS) domain protein 1 (EPAS1), a transcription factor involved in response to hypoxia. One single-nucleotide polymorphism (SNP) at EPAS1 shows a 78% frequency difference between Tibetan and Han samples, representing the fastest allele frequency change observed at any human gene to date. This SNP’s association with erythrocyte abundance supports the role of EPAS1 in adaptation to hypoxia. Thus, a population genomic survey has revealed a functionally important locus in genetic adaptation to high altitude.