高原缺氧环境下EPAS1基因调控葡萄糖-脂质代谢稳态的机制与进化意义

《Nature Communications》：Homeostasis of glucose and lipid metabolism during physiological responses to a simulated hypoxic high altitude environment

本研究通过构建携带高原隼EPAS1基因突变的“隼化小鼠”模型，揭示了缺氧环境下机体维持葡萄糖与脂质代谢稳态的遗传与行为调控机制。研究发现，EPAS1V162T/V162T突变通过削弱EPAS1-ARNT蛋白互作、增强EPAS1-pVHL结合，调控肝糖原合成（Gck、Gys2）与脂解（ACSL1）关键基因表达，并协同行为适应（如呼吸频率调整）维持代谢平衡，显著提升急性缺氧存活率。该研究为高原适应性疾病及代谢紊乱治疗提供了新靶点。

　　

在海拔超过2500米的高原地区，低氧环境对需氧生物的生存构成严峻挑战。尽管人类、鸟类和其他哺乳动物已进化出多种生理适应策略（如提高血红蛋白携氧能力），但机体如何在高海拔缺氧条件下维持葡萄糖与脂质代谢的动态平衡，仍是未解之谜。传统研究多聚焦单一代谢通路，忽视了葡萄糖-脂肪酸循环中两者的协同调控，而代谢失衡可能引发活性氧（ROS）累积或组织损伤。这一科学空白亟需合适的动物模型来突破。

发表于《Nature Communications》的这项研究，通过将高原隼（Falco cherrug）中发现的EPAS1基因适应性突变引入小鼠模型，首次系统揭示了缺氧环境下代谢稳态维持的分子与行为机制。研究团队利用多组学分析、生理行为监测及基因功能验证，证明EPAS1^V162T/V162T突变可通过调控肝糖代谢关键酶（如Gck、G6pc）和脂解基因（如Plin4、ACSL1）的表达，协同行为适应（如呼吸调节），显著提升机体对急慢性缺氧的耐受性。

关键技术方法

研究通过CRISPR/Cas9技术构建EPAS1^V162T/V162T knock-in小鼠模型（“隼化小鼠”），利用代谢笼系统监测呼吸交换率（RER），结合转录组（RNA-seq）、代谢组（UPLC-MS/MS）和脂质组学分析肝组织代谢物动态变化。蛋白互作通过Co-IP验证，行为参数（呼吸频率、摄食等）通过MouseOx系统及视频追踪量化，并采用结构性方程模型（SEM）整合遗传、环境与行为因素对代谢稳态的贡献。野生高原隼血浆样本用于验证代谢表型的保守性。

生理与代谢特征

V162T/V162T隼化小鼠在缺氧下的生理特征'>

在慢性缺氧（10% O₂）处理下，突变小鼠的RER值稳定维持在0.75左右，而野生型小鼠RER持续下降，表明其能量底物利用从葡萄糖向脂质偏移。肝组织代谢组学显示，突变小鼠在缺氧第3天（D3）后肝葡萄糖含量快速恢复至常氧水平，且葡萄糖耐量（GTT）试验中血糖调控能力显著优于野生型。相反，野生型小鼠游离脂肪酸（FFA）和甘油三酯（TG）含量显著升高，印证其脂质代谢主导模式。

遗传机制平衡代谢稳态

Co-IP实验证实，EPAS1^V162T突变削弱了与ARNT的异源二聚化，同时增强与pVHL的结合，导致HIF-2α信号通路功能减弱。RNA-seq分析发现，突变小鼠肝组织中糖原合成基因（Gys2、Ugp2）上调，而糖异生关键酶G6pc表达受抑；脂代谢基因（如Plin4、Plin5）在野生型中显著激活，但在突变型中表达平稳。代谢物富集分析进一步显示，野生型小鼠脂解通路（如甘油酯代谢）在缺氧后期持续活跃。

行为可塑性的贡献

隼化小鼠在缺氧早期即表现出更灵敏的呼吸频率提升，且摄食与运动行为变化幅度较小。结构性方程模型表明，遗传突变（系数=0.63）与行为调整（系数=0.59）共同正向影响RER，说明行为可塑性是维持代谢稳态的重要辅助机制。

进化优势与生存效益

在急性缺氧（4% O₂）胁迫下，突变小鼠存活时间（785.4±25.4秒）显著长于野生型（695.3±19.0秒），且体重恢复更快。ROS代谢通路基因在突变型中普遍下调，提示其氧化应激水平较低。对野生高原隼的验证发现，EPAS1突变纯合个体血浆碳水化合物含量更高、FFA水平更低，与小鼠模型表型一致。

结论与意义

本研究通过跨物种基因编辑模型，揭示了EPAS1基因在高原缺氧适应中协调葡萄糖-脂质代谢稳态的核心作用。该机制不仅涉及转录调控网络的重编程（如糖原合成与脂解平衡），还整合行为适应性调整，共同优化机体能量利用效率。研究为理解极端环境适应的代谢基础提供了新范式，并为糖尿病、肥胖等代谢性疾病提供了潜在治疗靶点。