동굴어의 적혈구 변화는 감소된 지하 산소에 대한 적응의 증거를 제공합니다

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 3735(2022) 이 기사 인용

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극한 환경에 서식하는 동물은 다양한 압력에 반응하여 적응 진화를 조사할 수 있는 강력한 기회를 제공합니다. 그러한 압력 중 하나는 일반적으로 높은 고도와 지하 환경에 존재하는 감소된 산소입니다. 동굴에 서식하는 동물은 또한 어둠과 기아에 대처해야 하며, 이 두 가지 모두 동굴과 관련된 특성의 진화를 이끄는 주요 요인으로 엄격하게 연구되어 왔습니다. 흥미롭게도 환경적 압력으로서의 저산소증은 덜 주목을 받았습니다. 여기서 우리는 표면 및 동굴 거주 형태를 모두 포함하는 민물 경골 어류 Astyanax mexicanus에서 진화하는 것으로 추정되는 적응형 표현형을 조사했습니다. 이 모델 시스템은 또한 밀접하게 관련된 표면 동종과 함께 수많은 자연 및 독립적으로 식민지화된 동굴 인구의 존재로 인해 저산소증에 대한 수렴 반응을 식별할 수 있는 기회를 제공합니다. 이 연구의 초점은 산소 수송 및 전달에 필수적인 분자인 헤모글로빈입니다. 우리는 여러 동굴 인구가 혈액 내 헤모글로빈 농도가 더 높다는 것을 발견했습니다. 이는 표면 물고기에 비해 동굴 변이 적혈구 크기의 증가와 일치합니다. 흥미롭게도 동굴과 표면 변형 모두 혈액 단위당 적혈구 수가 비슷하며, 이는 헤모글로빈 증가가 적혈구 과잉 생산으로 인한 것이 아님을 시사합니다. 또는 동굴어의 적혈구 세포 면적이 증가했기 때문에 적혈구 당 헤모글로빈이 더 많이 포함되어 있다고 추론합니다. 이러한 발견은 동굴어가 헤모글로빈 생산과 적혈구 크기의 조절을 통해 동굴의 저산소증에 적응했다는 개념을 뒷받침합니다. 이 연구는 Astyanax cavefish의 추가적인 적응 특징을 밝히고, 강렬한 환경 압력 하에서 진화하는 유기체에 세포 구조와 분자 변화 사이의 조화로운 변화가 필요하다는 것을 보여줍니다.

극한 환경 조건과 이러한 압력에 대한 유기체 반응 사이의 복잡한 상호 작용에 대한 우리의 이해는 아직 불완전합니다. 극한 환경에서의 적응을 연구하기 위한 강력한 자연 모델은 시각 장애인 멕시코 동굴고기인 Astyanax mexicanus입니다(그림 1a). 이 종은 현존하는 두 가지 형태, 즉 강에 서식하는 '표면' 형태와 절대 지하 '동굴' 형태를 직접 비교할 수 있습니다. 30개의 현존하는 동굴 개체군1은 멕시코 북동부 시에라 데 엘 아브라(Sierra de El Abra) 지역의 노출된 석회암 카르스트 내 지하 동굴 네트워크에 분포되어 있습니다(그림 1a). 표현형 변화는 눈의 상실, 색소 침착 및 비시각 감각의 향상을 포함하여 ~ 20~500,000년2,3의 추정 기간에 걸쳐 표면에서 동굴로의 전환을 동반했습니다. 발견 이후 80년 동안 퇴행적 특징의 기본 메커니즘을 이해하는 데 상당한 진전이 있었지만 엘 아브라 카르스트 시스템의 환경적 압력은 대부분 제한된 빛과 영양의 영향을 조사했습니다5.

Astyanax mexicanus cavefish의 여러 개체군은 표면 물고기에 비해 헤모글로빈 농도가 더 높습니다. Astyanax mexicanus는 동굴형과 표면형으로 구성되어 있습니다. 동굴 변이체는 멕시코 북동부의 시에라 데 엘 아브라(Sierra de El Abra)의 수많은 동굴에 분포되어 있는 반면, 표면 변이체는 인근 강, 하천 및 호수에 거주합니다(a). 3개의 동굴어 개체군 각각은 동일 표면 변형보다 통계적으로 유의하게 더 높은 헤모글로빈 농도를 나타냈습니다(b, Chica WRS p = 0.005, Tinaja WRS p = 0.0005, Pachón WRS p = 0.0001). 헤모글로빈 농도는 분광 광도 분석을 통해 측정되었습니다 (c). 이상값이 감지되지 않았습니다.

지하 동굴에 일반적으로 존재하는 환경적 압력 중 하나인 산소 수준 감소는 훨씬 덜 주목을 받았습니다. 전 세계의 지하 환경은 유기체 호흡6, 광합성 입력 부재6, 표면 대기와의 제한된 공기 혼합으로 인해 주변 지상 환경에 비해 산소 수준이 감소하는 경우가 많습니다7. 두 개의 El Abra 동굴인 Pachón과 Tinaja에서 용존 산소에 대한 경험적 측정이 수행되었으며, 이는 주변 지표수와 비교하여 동굴 풀의 산소 수준이 현저히 낮은 것으로 나타났습니다(Pachón 동굴의 DO = 2.97mg/L, 동굴의 8.20mg/L에 비해). 표면 환경(Rascón), 표면 환경(Nacimiento del Río Choy)의 80% 채도와 비교하여 Tinaja 동굴의 포화도 59%8,9 이러한 환경적 특징이 Astyanax 동굴어의 진화에 영향을 미쳤을 가능성이 가장 높지만, 연구 결과는 거의 없습니다. 이 압력을 완화하는 추정 적응 기능을 해결했습니다.