The Innovation | 青藏高原温泉蛇为什么偏好温泉？

Video1 温泉蛇与青藏高原

导 读

青藏高原的隆升和气候环境的变迁塑造了独特的区域生物多样性格局。生活在该区域的物种除了需要应对缺氧和强紫外辐射等极端环境外，还需要适应严寒气候及剧烈的气候变化，这对无法依靠自身调节体温的变温动物而言面临巨大挑战。中国科学院成都生物研究所李家堂研究团队在前期探究温泉蛇（Thermophis baileyi）适应高原强紫外辐射和低氧环境的研究基础上，利用行为学、比较基因组学和膜片钳实验等技术方法，揭示了温泉蛇温度感知能力的进化遗传机制（图1）。

图1 瞬时受体电位A1通道（Transient Receptor Potential Cation Channel A1, TRPA1）突变增强了温泉蛇的温度感知能力

世界上大多数蛇类生活在热带或亚热带地区，高原的寒冷环境通常不利于蛇类的繁衍生息。温泉蛇是世界上分布海拔最高的蛇类之一，主要生活在海拔4000 m以上的青藏高原温泉附近的石堆、水边和沼泽草甸等生境中（图2）。温泉蛇能够在高原隆升和冰河期的剧烈气候变化中幸存下来，这意味着其必然具有特殊的温泉适应策略。然而，目前关于温泉蛇适应极端环境的温度感知功能的进化遗传机制研究相对较少。

图2 温泉蛇，王聿凡摄

研究团队结合野外调查和文献调研，整理了高原温泉以及温泉蛇的分布信息，发现温泉蛇高度偏好温泉生境（图3）。通过趋热行为学实验证明，相较于玉米蛇（Pantherophis guttatus）和勐腊钝头蛇（Pareas menglaensis），温泉蛇能够更快速地定位到高温区域，且对高温区表现出强烈的偏好（温泉蛇80.56%，玉米蛇53.33%，勐腊钝头蛇60.00%）。这提示温泉蛇具有高效的温度感知系统，进而增强其在冷刺激下对温暖环境的探测能力。

图3 青藏高原温泉点和温泉蛇的分布（A）以及行为学实验（B–D）

通过进一步比较基因组学分析发现，与温泉蛇的温度感知和调节能力相关的基因发生了进化改变，包括与温度相关的多个瞬时受体电位（TRP）离子通道等。例如，与温感相关的TRPV3经历了快速进化；与冷感相关的TRPM8表现与其它高原物种共有的快速进化；与温感相关的TRPV4与TRPA1携带有温泉蛇特有的保守突变等（图4）。

图4 与温泉蛇的温度感知和调节能力相关的基因

在爬行动物中，TRPA1是一种热敏离子通道，参与蛇类的热探测（包括红外探测）行为。本研究鉴定到TRPA1包含3个温泉蛇特有的非同义突变（图5），其中两个位点位于ANK结构域，一个位于TM结构域。功能和三维结构预测提示，这些位点的突变可能会改变蛋白的空间构象，并改变跨膜通道中阳离子流通性（图5）。而膜片钳实验表明，这三个位点的改变不会导致TRPA1温度响应阈值的改变，但是会增强其热敏感性和热诱导的开放程度（图6），这将有利于温泉蛇对温暖环境做出更为快速的应答。上述结果与趋热行为学实验结果相符。

图5 TRPA1温泉蛇特有突变与结构预测

图6 突变型相比野生型TRPA1在接受热刺激后的通道峰值电流的变化

TRPA1是具有唇窝/颊窝蛇类感知红外热源的重要分子元件之一。红外蛇类感知红外主要由于TRPA1的特有突变，通过改变其对温度的敏感阈值来实现，这与温泉蛇中改变TRPA1对热的敏感性不同，提示蛇类温度感知可能存在两种不同的分子策略。本研究通过比较发现，温泉蛇与红外蛇类TRPA1特有突变的分布存在差异。红外成像蛇类TRPA1的氨基酸变异位点主要集中在N端结构域（ANK1—TM1）；而温泉蛇中的特有突变除ANK区域外，还包括TRPA1跨膜区的离子通道口附近的TM6结构域（图7）。其中，TRPA1蛋白中ANKs位于细胞膜一侧，提供与配体相互作用的基础，可能参与蛇类红外感应功能中温度敏感阈值的调整；而TM1—TM6结构域位于跨膜区，是该离子通道的主体结构，温泉蛇TM6区域位点的突变可能通过改变离子通道的构象，实现相同温度刺激下开放程度的增加。

图7 温泉蛇TPRA1和红外成像蛇类TRPA1突变位点的差异

总结与展望

温泉蛇作为世界上分布海拔最高的蛇类之一，严格栖息在青藏高原的温泉生境，这为探究蛇类温度感知功能进化与极端环境适应提供了绝佳的机会。本研究从分子层面探究了温泉蛇这一“高原精灵”对温泉环境适应的进化遗传机制。然而，动物对温度的感知机制是十分复杂的，而且可能存在多基因的协同作用。因此，未来需要整合多学科技术手段与多维度数据，综合探寻这一神奇物种在青藏高原上的“秘密”。

责任编辑

杨得鑫   郑州大学

于丹丹   生态环境部南京环境科学研究所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00091-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第五期以Article发表的“Temperature acclimation in hot-spring snakes and the convergence of cold response” (投稿: 2022-06-04；接收: 2022-06-27；在线刊出: 2022-08-01)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100295

引用格式：Yan C., Wu W., Dong W., et al. (2022). Temperature acclimation in hot-spring snakes and the convergence of cold response. The Innovation. 3(5),100295.

作者简介

李家堂，中国科学院成都生物研究所研究员，博士生导师。主要从事两栖爬行动物系统学和进化发育生物学研究，在复杂性状的遗传机制解析方面取得了系列成果，在PNAS, Nature Communications, National Science Review等国际期刊发表论文60余篇。担任青年生命科学论坛理事长、中国动物学会理事/两爬分会副理事长。

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