Adaptation of hemoglobin in the ray-finned fishes

Abstract

Ray-finned fishes represent an exceptionally diverse group inhabiting a wide range of aquatic environ- ments characterized by significant variability in physicochemical conditions, particularly in oxygen availability, temperature, salinity, and hydrostatic pressure. Hemoglobin, as a key protein responsi- ble for oxygen transport, exhibits considerable structural and functional variability that often reflects adaptations to these environmental conditions. This thesis focuses on the evolution of hemoglobin, with particular attention to its molecular adaptations, including amino acid substitutions, differences in gene expression, isohemoglobin switching, and genetic polymorphism. These mechanisms enable fishes to adapt to various aquatic conditions such as hypoxia, Arctic and Antarctic waters, or other extreme environments. The thesis further summarizes current knowledge on the evolutionary origin of hemoglobin and examines the diversity of hemoglobin genes, their organization into gene clusters, and the importance of gene duplications in generating functional variability. Attention is also given to physiological mechanisms regulating oxygen binding, including cooperativity, the Bohr and Root effects, and the role of allosteric effectors. In addition, selected examples of hemoglobin adaptations in...

Paprskoploutvé ryby představují mimořádně diverzifikovanou skupinu obývající široké spektrum vodních prostředí, která se vyznačují velkou variabilitou fyzikálně-chemických podmínek, zejména dostup- ností kyslíku, teploty, salinity a hydrostatického tlaku. Hemoglobin jako klíčový protein zajišťující transport kyslíku vykazuje výraznou strukturní a funkční variabilitu, která odráží adaptace na tyto environmentální podmínky. Tato práce se zaměřuje na evoluci a zejména na molekulární adap- tace hemoglobinu zahrnující aminokyselinové substituce, rozdíly v genové expresi, přepínání izo- hemoglobinů a genetický polymorfismus. Tyto mechanismy pomáhají rybám přizpůsobit se různým vodním podmínkám jako je hypoxie, arktické a antarktické vody, nebo jiná extrémní prostředí. Práce dále shrnuje současné poznatky o evolučním původu hemoglobinu a věnuje se diverzitě hemoglobi- nových genů, jejich organizaci v genových klastrech a významu genových duplikací pro vznik funkční variability. Pozornost je věnována i fyziologickým mechanismům regulujícím vazbu kyslíku jako je kooperativita, Bohrův a Rootův efekt a role allosterických efektorů. V práci jsou uvedeny také vy- brané příklady adaptací hemoglobinu u...