Physiological plasticity and the mechanisms of adaptation to hypoxia: exploiting natural variation in wild deer mice

生理可塑性和适应缺氧的机制:利用野鹿小鼠的自然变异

基本信息

项目摘要

PROJECT SUMMARY The maintenance of O2 homeostasis is a critical component of human health. Its disruption, for example, contributes to the pathophysiology of many devastating diseases, including heart, lung, and cerebrovascular disease. In addition, pervasive reductions in environmental O2 availability at high altitudes pose a serious threat to the growing number of people worldwide that live above 2500 meters. For example, long-term exposure to high altitude hypoxia can lead to chronic conditions such as Chronic Mountain Sickness, as well as negative pregnancy outcomes, heart failure or even death. This is because under conditions of chronic environmental hypoxia, several physiological responses aimed at maintaining homeostasis under acute hypoxic conditions can lead to maladaptive remodeling of the pulmonary vasculature and increases in blood viscosity that can overburden the heart. In the Velotta lab, we study wild, high-altitude deer mice (Peromyscus maniculatus) as a model to understand the integrated evolutionary mechanisms that allow animals to overcome these challenges. Deer mice are a well-suited model: they are broadly distributed across > 4000 meters of elevation in North America, are easily captured in the wild and manipulated in the lab, are rich in physiological and genomic resources, and most importantly, have adapted over evolutionary time to the extreme conditions of high altitude. Over the next five years, my lab will dissect the genetic and molecular mechanisms by which natural selection has reshaped deer mouse physiology at high altitude. We will use quantitative genetics to identify, for the first time, the loci that underlie adaptive variation in physiological response to hypoxia, coupled with detailed RNA- sequencing and network-based transcriptomic approaches to identify the regulatory pathways that underlie such responses. Combining these approaches allows us to pinpoint the genetic architecture of evolved physiological change at high altitude. Finally, we will use our understanding of underlying genetic architecture to directly test for the form, direction, and strength of natural selection on physiological traits during adaptation to these extreme conditions. The large-scale and ambitious series of experiments outlined in this proposal will yield new insights into high-altitude biology and medicine and may lead to novel therapeutic targets for diseases in which the disruption of O2 homeostasis is central to their pathology.
项目摘要 维持O2稳态是人类健康的关键组成部分。它的破坏 例如,有助于许多毁灭性疾病(包括心脏)的病理生理学 肺和脑血管疾病。此外,环境O2的普遍减少 高海拔地区的可用性对全球越来越多的人构成了严重威胁 超过2500米。例如,长期暴露于高海拔缺氧可以领导 对于慢性疾病等慢性病以及负怀孕 结果,心力衰竭甚至死亡。这是因为在慢性条件下 环境缺氧,旨在维持体内平衡的几种生理反应 在急性低氧条件下会导致肺部适应不良的重塑 脉管系统和血液粘度的增加,可以超越心脏。在Velotta实验室中 我们研究野生,高空鹿小鼠(Peromyscus maniculatus) 允许动物克服这些挑战的综合进化机制。鹿 小鼠是一个合适的模型:它们在> 4000米的海拔高度分布 北美很容易被捕获在野外并在实验室中被操纵,很丰富 生理和基因组资源,最重要的是,已经适应了进化 时间到达高海拔的极端条件。在接下来的五年中,我的实验室将剖析 自然选择重塑鹿小鼠的遗传和分子机制 高海拔的生理学。我们将使用定量遗传学来首次识别基因座 这是对缺氧的生理反应的适应性差异,再加上详细的RNA- 测序和基于网络的转录组方法以识别调节途径 这是这种回应的基础。结合这些方法使我们能够查明遗传 在高海拔地区进化的生理变化的结构。最后,我们将使用我们的 了解基本遗传结构以直接测试形式,方向和 适应这些极端的生理特征的自然选择的强度 状况。该提案中概述的大规模和雄心勃勃的一系列实验将 对高海拔生物学和医学产生新的见解,并可能导致新型治疗 O2稳态破坏的疾病目标是其病理学的核心。

项目成果

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