高原鼠兔对缺氧、寒冷极端高原环境适应的分子机制研究

摘要

青藏高原平均海拔超过4500米，称为“世界屋脊”，是世界上海拔最高，面积最大的高原，寒冷、干燥、空气中的氧气分压低、强紫外线是青藏高原环境的特点。高原鼠兔是一种青藏高原土生的小型兔科生物，被认为是完全适应高原缺氧的典型物种的代表性生物。对于高原土生动物高原适应的机制研究，特别是对于高原鼠兔的高原适应研究是这一领域的研究热点，也是将其作为模式生物进行高原适应研究的重要基础。大量的研究表明，高原鼠兔具有低氧下肺血管反应钝化(较低的肺动脉压)，低氧通气反应减弱，骨骼肌、心肌线粒体含量高，组织微血管密度高及特殊的能量代谢方式等生理表型特点，并且其脂肪代谢主要通过瘦素减少外周组织脂肪堆积、增加棕色脂肪中线粒体的活性和解偶联蛋白质1含量，提高非震颤性产热来抵抗高原寒冷环境。本研究论文在前期工作基础之上，分别对低氧通气适应性的抗缺氧机制的研究和脂肪代谢改变与抗寒机制的研究，从而进行两个方面的联合研究，探讨其高原适应的机制。
　　第一部分高原鼠兔低氧通气反应抗高原缺氧极端环境适应性机制的研究
　　目的：低氧通气反应是机体对抗缺氧环境的反射性防御反应。而呼吸中枢对缺氧的感受是促使低氧通气反应的重要机制之一。于是我们研究延髓脑干处的呼吸中枢神经核团释放的重要神经递质，多巴胺类神经递质 NMDA因子受体NMDA-NR1和非 NMDA受体拮抗剂 DNQX，以及5羟色胺分子抑制剂fluoxetine，和气体信号分子NO的拮抗剂L-NAME后，分别探讨各类神经递质对高原适应动物高原鼠兔和平原大鼠低氧下对呼吸的调控模式。
　　方法：我们采用体外模拟低氧的plethysmographic法，检测动物给药前、给药后动物清醒、安静状态下低压氧舱模拟高原鼠兔捕捉点4100米和急性低氧6800米，监测他们低氧通气反应的指标变化。
　　结果：高原鼠兔给予低氧刺激后，潮气量，呼吸频率和每分通气量都增高，而通气时间、吸气时向减小，吸气时向占呼吸总时间的比例没有改变。DNQX与Memantine给药后高原鼠兔的 HVR没有改变。然而模拟低氧6800米时，注射L-name组的鼠兔吸气向占总呼吸时向增加。注射fluoxetine后，模拟低氧后高原鼠兔的HVR受到了抑制，表现为Ve和Vt数值下降。
　　结论：高原适应动物高原鼠兔的通气适应性适应不依赖于NMDA/NO和NMDA和多巴胺神经元途径。但是，AMPA受体刺激和5-羟色胺含量的增加似乎限制了急性缺氧下的通气反应的突触形成，但是NMDA受体和NO的合成增加在高原鼠兔的缺氧适应起到了一定的调节作用。
　　第二部分为高原鼠兔脂肪代谢改变与抗高原寒冷极端环境的适应性机制的研究
　　目的：长期生活在青藏高原的高原鼠兔进化出极佳的耐寒、耐低氧的生理特点，从而使其适应青海高原的极端自然环境。据目前的研究证实，哺乳动物对寒冷的适应机制之一是产热性棕色脂肪组织的产热作用。然而，我们对于鼠兔利用何种产热机制，也更不明确鼠兔是否对高海拔寒冷刺激是否利用棕色脂肪的产热机制。
　　方法：间歇冷暴露是在研究啮齿类动物冷适应的简便而可靠的冷暴露模型制备方法，为了探讨高原鼠兔在适应寒冷气温中脂肪组织的作用，我们采用间歇冷暴露的模型方法，研究了高原鼠兔对于寒冷应激的应对措施。
　　结果：本研究中，我们发现了鼠兔在保持机体正常温度方面有棕色脂肪的参与，而且其自身的白色脂肪组织也会发生“棕色改变”。这种，白色脂肪的棕色分化的生理表型，可以通过棕色脂肪标志物基因的高表达来验证，尤其是解偶联蛋白1的表达增加来明确棕色脂肪的发生。更有意义的结果在于，这种棕色化过程主要发生在内脏部位的脂肪而不是表皮等皮下脂肪组织。此外，间歇冷暴露增加了一些正常脂肪分化标志物基因同时在mRNA和蛋白水平的高表达。然而，这些在脂肪分布的重大变化，并没有伴随鼠兔体重的变化或血液中葡萄糖和甘油三酯水平的变化，这表明适应性变化存在着自身整体的协调和细胞自我补偿机制。
　　结论：我们的研究结果证实了间歇冷暴露促进并募集了鼠兔机体中棕色脂肪组织的含量，这与低海拔平原地区的小型哺乳动物不同之处，在于鼠兔能激活内脏白色脂肪组织来适应冷应激而没有发生整体能量平衡的改变和紊乱。

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引言

第一部分 高原鼠兔高原低氧通气反应分子机制的研究

第1章 前言

第2章 低氧通气反应检测

2.1 材料与方法

2.2 高原鼠兔低氧通气反应的测定

2.3 统计学分析方法

第3章 实验结果

3.1 实验动物的一般指标测定

3.2 低氧通气反应结果

第4章 讨论

4.1 NMDA和NMDA-NR1受体参与的HVR的中枢调节

4.2 AMPA受体介导的HVR的调节

4.3 NO介导的HVR的调节反应

4.4 5-HT对低氧通气反应的调节机制

4.5 本研究的不足

4.6 研究结论

参考文献

第二部分 高原鼠兔抗寒冷的脂肪变化分子机制研究

第1章 前言

第2章 研究方法

2.1 实验材料和方法

2.2 实验方法

第3章 研究结果

3.1 间歇性冷暴露对食物摄入量和机体脂肪重量的影响

3.2 间歇性冷暴露对内脏脂肪和皮下脂肪的影响

3.3 间歇性冷暴露（ICE）诱导心脏周围内脏脂肪细胞的棕色化改变的基因表达结果

3.4 间歇性冷暴露（ICE）诱导心脏周围内脏脂肪细胞的线粒体生物合成改变的基因表达结果

3.5 间歇性冷暴露（ICE）诱导心脏周围内脏脂肪细胞的胰岛素抵抗相关基因表达结果

第4章 讨论

4.1 高原鼠兔的生物学特性

4.2 高原寒冷环境与高原鼠兔机体的适应机制

4.3 Leptin含量与高原鼠兔白色脂肪的关系

4.4 棕色脂肪产热基因与高原鼠兔机体的适应机制

第5章 结论

参考文献

致谢

文献综述

作者简介

攻读学位期间取得的研究成果