墨西哥洞穴鱼的胰岛素抗性使其能在极端环境下生存

墨西哥洞穴鱼的胰岛素抗性使其能在极端环境下生存
洞穴鱼

“用进废退”,这是自然进化中颠扑不破的真理。动物们深谙此道,不敢荒废,但唯有墨西哥洞穴鱼是个特例。当然,一意孤行也让它付出了惨痛的代价,永远的失去了眼睛。由于它们生活在非常缺乏藻类食物的环境中,体态很胖。

最近,一个研究团队调查了这种鱼的情况,发现与引起人类胰岛素抗性的机制相同。该研究近日已发表在《Nature》上。

胰岛素是由胰腺产生的激素,能够帮助调节血糖水平。当我们吃东西时,身体会将碳水化合物转化为葡萄糖,为身体提供能量。胰岛素会与肌肉、脂肪和肝细胞表面的受体结合,引发它们从血液中摄取葡萄糖。这会使血糖回到正常水平,这个过程中,一部分葡萄糖作为能量,另一部分会以糖元的形式存储供以后使用。如果长时间没进食,血糖水平就会下降,胰腺会释放另一种激素——胰高血糖素。它恰恰起到相反的作用,告诉肝脏和肌肉将糖元转化为葡萄糖并将其释放回血液中,从而恢复正常的血糖水平。这个维持平衡的过程称为内稳态。

糖尿病有不同的形式,但所有的糖尿病都使胰岛素无法正常工作,导致血液中的葡萄糖过量。这对于人类来说是危险的,但是对于其他的物种却有助于生存。

墨西哥脂鲤鱼(Astyanax mexicanus)有两个不同的种群组成。一种生活在河道中,外表银灰色,能够接触到阳光普照的水域(有眼睛)。另一种则是粉色的盲眼鱼,生活在黑暗地表下的洞穴中,长期缺少食物。过去有关该鱼的研究表明,对视力正常且正在发育中的洞穴鱼来说,维持视力需要消耗的能量要比它们在失明状态下高出15%。在恶劣的生存条件下,那些能够降低视觉能力的个体通常会在自然选择中幸存下来。

过去还有科学家曾观察到,在经历饥饿时,这些洞穴鱼的体重会比河道中的同类下降得少得多。导致这种现象的原因有几个,包括昼夜代谢节律减少、代谢率降低和体脂升高,但是这背后的遗传改变仍然是个谜。

美国Stowers医学研究所的Nicolas Rohner和生物学家Misty Riddle领导的这个研究团队通过一段时间的研究后确定,这种洞穴鱼体内进化出胰岛素受体的突变体,不会与胰岛素结合。

研究人员在实验室中培养了这两种墨西哥脂鲤鱼,并对它们的血糖进行监测。他们发现,在喂食和短期禁食之后,洞穴鱼的血糖水平都比河道鱼高。

然而,在经历21天的长期禁食之后,洞穴鱼的血糖水平却比河道鱼下降得低得多。这表明,洞穴鱼血糖水平内稳态的调节非常糟糕。

为了研究这背后的遗传机制,研究人员使用过去测序的基因组数据,检查了胰岛素通路中所有已知基因序列之后,他们发现河道鱼和洞穴鱼的胰岛素受体基因的编码差异,而这个编码与胰岛素抗性相关。

这种突变使得氨基酸残基脯氨酸被亮氨酸替代。这种基因变化与一种已知罕见疾病有关,即Rabson-Mendenhall综合症,其特征是严重的胰岛素抗性。

尽管患有高血糖症和脂肪肝这两种与2型糖尿病都有关联的疾病,但是这些洞穴鱼在14岁的时候表现出的衰老症状却比生活在河道中的同类要更少。它们的生育能力也没有差异,这表明容忍饥饿的进化“代价”对于生理健康来说很轻微。

这意味着,洞穴鱼可能已经进化出了补偿机制来保持健康的。尽管这种基因突变会对人体造成有害的健康影响。研究人员表示,这些潜在的机制非常值得进一步研究。

研究人员在论文中写道:“我们利用洞穴鱼模型进行了类糖尿病葡萄糖稳态失调的病理学研究。此外,我们的结果表明,在关键的代谢通路中可能进化出极端的生理指标,以适应极端的环境挑战。”

论文链接:https://www.nature.com/articles/nature26136

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