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The importance of a single amino acid substitution in reduced red blood cell carbonic anhydrase function of early-diverging fish
Journal of Comparative Physiology B ( IF 2 ) Pub Date : 2020-03-07 , DOI: 10.1007/s00360-020-01270-9
Angelina M Dichiera 1 , Olivia J L McMillan 2 , Alexander M Clifford 3 , Greg G Goss 4, 5 , Colin J Brauner 2 , Andrew J Esbaugh 1
Affiliation  

In most vertebrates, red blood cell carbonic anhydrase (RBC CA) plays a critical role in carbon dioxide (CO 2 ) transport and excretion across epithelial tissues. Many early-diverging fishes (e.g., hagfish and chondrichthyans) are unique in possessing plasma-accessible membrane-bound CA-IV in the gills, allowing some CO 2 excretion to occur without involvement from the RBCs. However, implications of this on RBC CA function are unclear. Through homology cloning techniques, we identified the putative protein sequences for RBC CA from nine early-diverging species. In all cases, these sequences contained a modification of the proton shuttle residue His-64, and activity measurements from three early-diverging fish demonstrated significantly reduced CA activity. Site-directed mutagenesis was used to restore the His-64 proton shuttle, which significantly increased RBC CA activity, clearly illustrating the functional significance of His-64 in fish red blood cell CA activity. Bayesian analyses of 55 vertebrate cytoplasmic CA isozymes suggested that independent evolutionary events led to the modification of His-64 and thus reduced CA activity in hagfish and chondrichthyans. Additionally, in early-diverging fish that possess branchial CA-IV, there is an absence of His-64 in RBC CAs and the absence of the Root effect [where a reduction in pH reduces hemoglobin’s capacity to bind with oxygen (O 2 )]. Taken together, these data indicate that low-activity RBC CA may be present in all fish with branchial CA-IV, and that the high-activity RBC CA seen in most teleosts may have evolved in conjunction with enhanced hemoglobin pH sensitivity.

中文翻译:

单一氨基酸取代对早期分化鱼红细胞碳酸酐酶功能降低的重要性

在大多数脊椎动物中,红细胞碳酸酐酶 (RBC CA) 在二氧化碳 (CO 2 ) 跨上皮组织转运和排泄中起关键作用。许多早期发散的鱼类(例如盲鳗和软骨鱼类)的独特之处在于,它们的鳃中具有血浆可接近的膜结合 CA-IV,允许在不涉及 RBC 的情况下发生一些 CO 2 排泄。然而,这对 RBC CA 功能的影响尚不清楚。通过同源克隆技术,我们从九个早期分化的物种中鉴定了 RBC CA 的假定蛋白质序列。在所有情况下,这些序列都包含质子穿梭残基 His-64 的修改,并且来自三条早期发散鱼的活性测量表明 CA 活性显着降低。定点诱变用于恢复 His-64 质子穿梭机,这显着增加了 RBC CA 活性,清楚地说明了 His-64 在鱼红细胞 CA 活性中的功能意义。对 55 种脊椎动物细胞质 CA 同工酶的贝叶斯分析表明,独立的进化事件导致了 His-64 的修饰,从而降低了盲鳗和软骨鱼类中的 CA 活性。此外,在具有鳃 CA-IV 的早期发散鱼中,红细胞 CA 中不存在 His-64 并且不存在根效应 [其中 pH 值降低会降低血红蛋白与氧 (O 2 ) 结合的能力] . 总之,这些数据表明低活性 RBC CA 可能存在于所有具有鳃 CA-IV 的鱼中,并且在大多数硬骨鱼中看到的高活性 RBC CA 可能与增强的血红蛋白 pH 敏感性一起进化。清楚地说明了 His-64 在鱼红细胞 CA 活性中的功能意义。对 55 种脊椎动物细胞质 CA 同工酶的贝叶斯分析表明,独立的进化事件导致了 His-64 的修饰,从而降低了盲鳗和软骨鱼类中的 CA 活性。此外,在具有鳃 CA-IV 的早期发散鱼中,红细胞 CA 中不存在 His-64 并且不存在根效应 [其中 pH 值降低会降低血红蛋白与氧 (O 2 ) 结合的能力] . 总之,这些数据表明低活性 RBC CA 可能存在于所有具有鳃 CA-IV 的鱼中,并且在大多数硬骨鱼中看到的高活性 RBC CA 可能与增强的血红蛋白 pH 敏感性一起进化。清楚地说明了 His-64 在鱼红细胞 CA 活性中的功能意义。对 55 种脊椎动物细胞质 CA 同工酶的贝叶斯分析表明,独立的进化事件导致了 His-64 的修饰,从而降低了盲鳗和软骨鱼类中的 CA 活性。此外,在具有鳃 CA-IV 的早期发散鱼中,红细胞 CA 中不存在 His-64 并且不存在根效应 [其中 pH 值降低会降低血红蛋白与氧 (O 2 ) 结合的能力] . 总之,这些数据表明低活性 RBC CA 可能存在于所有具有鳃 CA-IV 的鱼中,并且在大多数硬骨鱼中看到的高活性 RBC CA 可能与增强的血红蛋白 pH 敏感性一起进化。对 55 种脊椎动物细胞质 CA 同工酶的贝叶斯分析表明,独立的进化事件导致了 His-64 的修饰,从而降低了盲鳗和软骨鱼类中的 CA 活性。此外,在具有鳃 CA-IV 的早期发散鱼中,红细胞 CA 中不存在 His-64 并且不存在根效应 [其中 pH 值降低会降低血红蛋白与氧 (O 2 ) 结合的能力] . 总之,这些数据表明低活性 RBC CA 可能存在于所有具有鳃 CA-IV 的鱼中,并且在大多数硬骨鱼中看到的高活性 RBC CA 可能与增强的血红蛋白 pH 敏感性一起进化。对 55 种脊椎动物细胞质 CA 同工酶的贝叶斯分析表明,独立的进化事件导致了 His-64 的修饰,从而降低了盲鳗和软骨鱼类中的 CA 活性。此外,在具有鳃 CA-IV 的早期发散鱼中,红细胞 CA 中不存在 His-64 并且不存在根效应 [其中 pH 值降低会降低血红蛋白与氧 (O 2 ) 结合的能力] . 总之,这些数据表明低活性 RBC CA 可能存在于所有具有鳃 CA-IV 的鱼中,并且在大多数硬骨鱼中看到的高活性 RBC CA 可能与增强的血红蛋白 pH 敏感性一起进化。在具有鳃 CA-IV 的早期发散鱼中,红细胞 CA 中不存在 His-64 并且不存在根效应 [其中 pH 值降低会降低血红蛋白与氧 (O 2 ) 结合的能力]。总之,这些数据表明低活性 RBC CA 可能存在于所有具有鳃 CA-IV 的鱼中,并且在大多数硬骨鱼中看到的高活性 RBC CA 可能与增强的血红蛋白 pH 敏感性一起进化。在具有鳃 CA-IV 的早期发散鱼中,红细胞 CA 中不存在 His-64 并且不存在根效应 [其中 pH 值降低会降低血红蛋白与氧 (O 2 ) 结合的能力]。总之,这些数据表明低活性 RBC CA 可能存在于所有具有鳃 CA-IV 的鱼中,并且在大多数硬骨鱼中看到的高活性 RBC CA 可能与增强的血红蛋白 pH 敏感性一起进化。
更新日期:2020-03-07
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