Кратко и по делу.
Основные физиологические реакции к гипоксии на высоте (примерно $>2500$ м): повышенная вентиляция, увеличение кровотока (за счёт нитрозного оксида — NO), изменения свойств гемоглобина/капилляризации, и у некоторых — хроническая эритроцитозная реакция (повышение гемоглобина). Эти реакции могут быть как пластическими (в ответ на экспозицию), так и результатом генетической адаптации.
Примеры адаптаций в трёх популяциях и их механизмы
- Тибетцы:
- Физиология: относительно нормальные концентрации гемоглобина (не выраженный эритроцитоз), повышенная вентиляция и очень высокие уровни NO в дыхательных путях — это улучшает тканевую перфузию и оксигенацию без утолщения крови.
- Генетика: сильные сигналы естественного отбора в генах HIF‑пути, прежде всего в $EPAS1$ (HIF‑2α) и $EGLN1$ (PHD2). Вклад варианта $EPAS1$ у тибетцев связан с ранее интрогрессированным денисовским гаплотипом — влияет на регуляцию эритропоэза и метаболизм при гипоксии.
- Андские высокогорцы:
- Физиология: выраженный хронический эритроцитоз (высокий уровень гемоглобина/гематокрита), адаптация через увеличение кислородной ёмкости крови; иногда более выраженная правожелудочковая гипертрофия и повышенный риск гипоксически вызванной патологии.
- Генетика: выявлены сигналы отбора в ряде генов, затрагивающих ответ на гипоксию и сосудистую регуляцию (включая элементы HIF‑пути и другие локусы), но набор адаптивных аллелей отличается от тибетского — пример конвергентной фенотипической адаптации разными генетическими путями.
- Эфиопские высокогорцы:
- Физиология: у некоторых групп (например, амхара/орому) низкий или умеренный уровень гемоглобина, схожий по фенотипу с тибетцами (т. е. без сильного эритроцитоза), но с отличной от тибетской генетической архитектурой.
- Генетика: геномные сканы выявили другие кандидаты (различные локусы в сигнальных путях, связанных с сосудистой регуляцией и гипоксией), что указывает на независимые генетические решения одной и той же экологической проблемы.
Ключевая идея: во всех трёх популяциях наблюдается адаптация к низкому pO2, но конкретные генетические изменения разнятся; механино‑целевые изменения часто затрагивают HIF‑сигнальную сеть (регуляция эритропоэза, сосудистая реакция, метаболизм).
Эксперимент для различения наследственных (ДНК‑основанных) изменений от эпигенетической/пластической реакции
Предложение: комбинированный in vitro «общий сад» с iPSC и геномным редактированием.
Шаги:
1. Набрать группы доноров: высокогорные коренные жители (HG) и низкогорные контрольные (LG). Зафиксировать фенотипы (гемоглобин, вентиляция, NO и т.д.) и генотип по кандидатным локусам.
2. Из крови каждого донора получить индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC). Реброграммирование стирает большинство соматических эпигенетических меток, поэтому iPSC служат «чистым» генетическим фоном.
3. Дифференцировать iPSC в релевантные клетки: эритроидные предшественники и эндотелиоциты.
4. Культивировать эти клетки в контролируемых условиях: нормоксия и гипоксия (имитирующая высоту), измерять ответы (экспрессия HIF‑таргетов, продукция EPO/NO, деление/эритропоэзация).
5. Геномное вмешательство: с помощью CRISPR/Cas9 ввести предполагаемые адаптивные аллели из HG в клетки LG и удалить/заменить их в HG (allele swap). Параллельно можно целенаправленно менять метилирование промоторов (эпигенетическая редакция) в тех же генах.
6. Профилирование: RNA‑seq, метилирование ДНК, хроматиновая структура, функциональные показатели (эритроцитопоэз, NO‑выделение, реакция на гипоксию).
Интерпретация результатов:
- Если после реброграммирования и культивирования различие между HG и LG сохраняется и повторно воспроизводится при переносе HG‑аллелей в LG (и исчезает при удалении этих аллелей из HG), то эффект генетический (ДНК‑вариант).
- Если различия исчезают после реброграммирования (iPSC версии HG и LG реагируют одинаково) или восстанавливаются/изменяются манипуляцией метилирования, то эффект скорее эпигенетический или обусловлен ранней онтогенетической пластичностью.
- Комбинация CRISPR swap + эпигенетическая редакция позволяет разделить влияние последовательности ДНК и эпигенетики.
Контроли и замечания:
- Реброграммирование не всегда полностью стирает все эпигенетические метки — нужно проверять профиль метилирования до/после.
- Важен достаточный размер выборки и репликации по донорам.
- Такой эксперимент этически предпочтительнее и информативнее, чем «переезд» людей, и даёт причинно‑следственные доказательства для роли генов против эпигенетики.
Кратко: физиологические адаптации включают изменение вентиляции, NO‑зависимую перфузию, изменение гемоглобина; генетически часто вовлечён HIF‑путь (у тибетцев — $EPAS1$, $EGLN1$; у андеан и эфиопов — другие локусы/пути). Эксперимент с iPSC + CRISPR (allele swap) в контролируемой гипоксической среде позволяет отделить наследственные ДНК‑эффекты от эпигенетической или пластической реакции.