世世代代生活在高海拔地区的安第斯山脉和青藏高原的人已经适应了在低氧条件下的生活。在这样一个独特的和强大选择压力下的生活，使这些人成为教科书中进化的例子，但他们的基因究竟如何传达生存优势仍然是一个悬而未决的问题。现在，宾夕法尼亚大学的一个研究小组在回答这个问题上取得了新进展，他们用第一个全基因组研究对拥有高海拔适应性的第三个主要人口进行研究：埃塞俄比亚高原的阿姆哈拉人。
令人惊讶的是，三组的适应性似乎都涉及到不同的基因突变，趋同演化的一个例子。
"这三组用不同的遗传方式来解决同一问题"， 通讯作者Sarah Tishkoff说，他是宾夕法尼亚的佩雷尔曼医学院遗传学系和艺术与科学学院生物系任用的一个集成知识教授。
除了Tishkoff以外，该研究由Laura B. Scheinfeldt主持，他是佩雷尔曼医学院遗传学系的研究型科学家。参与此研究的遗传学系其他成员有：Sameer Soi、 Simon Thompson、Alessia Ranciaro、William Beggs、Charla Lambert 和Joseph P. Jarvis。
宾州大学的研究小组与阿迪斯阿贝巴大学生物学系的Dawit Wolde Meskel，Dawit Abate 和 Gurja Belay合作研究。
他们的研究结果发表今天的Genome Biology上。
进化背后的一个指导原则是自然选择；更适合其环境的生物才更有可能生存和繁衍后代。在高海拔环境中，氧浓度低，一种使不能习惯的人迅速患病的条件--甚至杀死。
"为遗传学人类学家"， Scheinfeldt说，"我们知道，经过阳性选择或者是达尔文选择后，我们期望看到的遗传变异的什么模式已出现。然后，我们在基因组中寻找这些模式，设法利用我们找到的东西的生物学意义。"
"对我们来说，这样做的最简单方法就是观察具有很强选择性压力的情形：一种具非常高死亡率的疾病，或是高海拨的缺氧环境。这种情况使繁衍后代存在着巨大差异，所以它也给我们更多的力量去寻找其背后的遗传标签。"
怀孕妇女对以缺氧为代表的生理压力特别敏感，这影响着孩子的出生体重和健康。然而，对于世代生活在安第斯山脉和青藏高原高海拔地区的人们，没有明显的不良影响。
值得注意的是，凯斯西储大学（Case Western University）的人类学家Cynthia Beall，和威克弗里斯特大学（Wake Forest University）的Lorna Moore已广泛记载了他们的生理特性，试图了解这些人群如何抵消那些孕妇在缺氧环境通常会有的问题。最近，遗传学家们已经试图将这些身体特征（或称为表现型）与负责这些特征的基因（或称为基因型）关联起来。
研究人员一直想要添加更多的人口进行比较，但是符合标准、生活在海拔3000米以上的埃塞俄比亚高原人、经济、语言和地理障碍成为数据收集的障碍。
"这是一个极具挑战性的研究。单单后勤，即获得这样做的许可证和许可，就花费了我们许多年时间"， Tishkoff说。
"从这些边远地区的人口中取样也很困难"， Simon Thompson说，他是当地人口研究小组的一部分，"道路不通，只在寻找可能生活在海拨最高地方的人我们就花了很多时间。"
研究人员将阿姆哈拉参与者的基因型与表现型与其他2类生活在低海拨的埃塞俄比亚群体进行比较。他们还将阿姆哈拉群体与生活在海平面或海平面周围的尼日利亚和欧洲的群体进行了比较。
"我们所做的这些比较"， Scheinfeldt说，"找出基因组中高海拨群体与其他群体明显不同的地方。这些不同区域是遗传变异有助于高海拔适应的候选区域。最具代表性的2个均与HIF-1信号通路有关，它是在缺氧条件下激发的。"
安达斯人和藏族人也都有与缺氧诱导因子- 1通路相关的突变，但所有三组人群在基因型和表现型上均不同。表现型的一个区别是血红蛋白相关，它是运输氧气的血液的一部分。埃塞俄比亚和安达斯人的血红蛋白水平明显高于低海拔的人口，但西藏人具有平均水平。
研究人员在埃塞俄比亚人群中还发现了一个参与线粒体功能的基因突变体。线粒体调节三磷酸腺苷（ATP）生产，其中ATP是细胞用作能源的化学物质，使这个基因成为另一个有趣的高海拔适应中发挥作用的候选基因。
这些差异似乎在机体如何能保持低氧环境下内环境平衡中发挥作用，但更象是明显的优势，如更高水平的血红蛋白，只是更复杂表型变化的代表。把他们放到一个某些基因如何转化成生存优势的大范围来考虑，将需要更多的以Tishkoff实验室研究结果为基础的重点研究。
"我们正在一点点琢磨这个问题"， Scheinfeldt说，"每一点都有帮助。"
这样的研究已有希望超越这些人群历史的理解。
"以肺生理学和氧运输的方式的这类生物医学界研究有很大的兴趣"， Tishkoff说，"如果一个人能理解这是怎么回事，即拥有这些遗传适应性的人在高海拨下能很好适应而其他人却受折磨，它能有助于我们更好地了解人体重要系统之一。"
本研究的经费来自美国国立卫生研究院和国家自然科学基金。（生物谷bioon.com）
doi:10.1186/gb-2012-13-1-r1
PMC:
PMID:
Genetic adaptation to high altitude in the Ethiopian highlands
Laura B Scheinfeldt, Sameer Soi, Simon Thompson, Alessia Ranciaro, Dawit Wolde Meskel, William Beggs, Charla Lambert, Joseph P Jarvis, Dawit Abate, Gurja Belay, Sarah A Tishkoff
Abstract Background Genomic analysis of high-altitude populations residing in the Andes and Tibet has revealed several candidate loci for involvement in high-altitude adaptation, a subset of which have also been shown to be associated with hemoglobin levels, including EPAS1, EGLN1, and PPARA, which play a role in the HIF-1 pathway. Here, we have extended this work to high and low altitude populations living in Ethiopia for which we have measured hemoglobin levels. We genotyped the Illumina 1M SNP array and employed several genome-wide scans for selection and targeted association with hemoglobin levels to identify genes that play a role in adaptation to high altitude. Results We have identified a set of candidate genes for positive selection in our high-altitude population sample, demonstrated significantly different hemoglobin levels between high and low altitude Ethiopians and have identified a subset of candidate genes for selection, several of which also show suggestive associations with hemoglobin levels. Conclusions We highlight several candidate genes for involvement in high-altitude adaptation in Ethiopia, including CBARA1, VAV3, ARNT2 and THRB. Although most of these genes have not been identified in previous studies of high-altitude Tibetan or Andean population samples, two of these genes (THRB and ARNT2) play a role in the HIF-1 pathway, a pathway implicated in previous work reported in Tibetan and Andean studies. These combined results suggest that adaptation to high altitude arose independently due to convergent evolution in high-altitude Amhara populations in Ethiopia.
