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科学家利用鳉鱼研究人类衰老
来源:     作者:      2018-10-18 16:55       

蓝绿鳉鱼寿命转瞬即逝,它们有助于科学家研究影响人类衰老的机制。图片来源:Sebastian Kahnert/DPA/Picture Alliance

生理学家Alessandro Cellerino是一名水族馆狂热者,但一开始鱼类并不在他的研究计划中。2000年的一个下午,他和饲养者Stefano Valdesalici一起在意大利北部卡诺萨的一个装满水族箱的室内闲聊,Cellerino一时兴起便问后者哪种鱼的寿命最短。Valdesalici指着一个水族箱中长着亮色斑点的非洲蓝绿鳉鱼说:“它们活不过3个月。”

“你在开玩笑吗?”在比萨高等师范学校工作的Cellerino问道,“好,那我就要它们了。”

此后,2004年3月,Cellerino和研究生Dario Riccardo Valenzano以及卡诺萨鳉鱼协会主席Valdesalici驾驶一辆四轮卡车来到了莫桑比克。他们穿上了齐胸高的防水靴,戴上手套,在牛粪堆形成的季节性泥坑里忙活着,蓝绿鳉鱼就生活在那里。和水族馆中的鳉鱼一样,这些野生的品系生命尤其短。在各种鳉鱼属中,蓝绿鳉鱼的生命周期最短,而且是圈养繁殖的脊椎动物中生命周期最短的物种,根据品系和生存环境的不同,生命周期为3至12个月不等。

利用鳉鱼研究衰老并不是新想法。20世纪末期,科学家曾利用生命周期为14个月的贡氏圆尾鳉研究衰老。但是考虑到当时可获取的技术,他们只能对衰老特征作出最基本的描述。当Cellerino遇到蓝绿鳉鱼之后,他碰到了很好的时机和运气:分子分析的进步已经为建立相关模型以及研究衰老背后的机制奠定了良好基础。

鱼与人同理

与小鼠和斑马鱼等动物模型相比,鳉鱼的一生更加短暂,这使得研究人员可以飞快地研究衰老过程。因为鱼类是脊椎动物,因此与果蝇和线虫等生命较为短暂的动物相比,这项研究可以与人类产生更加直接的关系。

今年7月,约有70名的鳉鱼研究狂热者在德国耶拿共聚一堂,参加第二届假鳃鳉专题研讨会。然而,当前由于缺乏饲养鳉鱼的标准饮食以及专用的抗生素等基本试剂,使其发挥诸如实验室小鼠的应用功能仍有相当长的路要走。

这种转瞬即逝的生命吸引科学家的地方在于其进化过程中对自然环境的适应:它们的加速发育使其可以在赤道非洲地区短暂湿季形成的泥塘中生存、繁衍。它们产的卵会在干季休眠,并在雨季到来形成池塘后再次孵化。在水源干涸之前,它们仅有数周或数月时间生长、产卵。

但是这项研究隐藏着另一个问题:鳉鱼衰老过程会与人类平行吗?会的,Valenzano说。这种鱼在死亡前也会衰老。“它们不是4个月之后一下死亡,而是会逐渐衰老。”他说。这种鱼的颜色会逐渐变暗,肌肉减少,体重下降,出现癌症,而且游水逐渐减少。

而且它们的大脑也会呈现衰老迹象,那不勒斯费得里科第二大学解剖学专家Livia D’Angelo说。正如大脑衰老过程中与年龄相关的现象一样,其神经胶质(为神经元提供支撑和保护的大脑细胞)能够上调胶质纤维酸(GFAP)。Valenzano补充说,鳉鱼神经元退化以及积累淀粉样分子的过程与罹患阿尔茨海默氏症的特征类似。这种鱼类对于抗衰老药物干预的应答也与一些生命周期短暂的脊椎动物类似。白藜芦醇(红酒中可延长线虫和果蝇生命的物质)能够使其生命延长59%。

基因对应体

了解鳉鱼会随着年龄增加而衰老之后,科学家希望了解这一过程如何发生。其中一个关键资源是从非洲采集基因并不完全相同的若干种品系。科学家有4种品系可供选择,Cellerino表示它们包括最初的津巴布韦品系以及2004年到2007年从莫桑比克采集的其他3种品系,后者拥有略长一些的生命周期。

通过对两个品系进行交叉育种,Cellerino与同事获得了拥有不同生命周期的鳉鱼。他们随后对比了第一代和第二代鳉鱼的基因及寿命,并鉴别了个别染色体区域,每种鳉鱼都含有数百种可能影响衰老的基因。尽管这些研究并未直接揭示与寿命相关的基因,却揭示了潜在的候选基因。科学家从这项研究中推测,蓝绿鳉鱼约有32%的寿命变化与遗传有关,而小鼠与遗传相关的贡献为20%~35%。

从那时起,让鳉鱼成为有效研究模型的尝试加速了。美国加州斯坦福大学遗传学家Anne Brunet一直期望得到一种生命短暂的脊椎动物研究模型,当Valenzano为一期夏季讲堂造访该校时,Brunet非常高兴获得这一消息,并邀请Valenzano到其实验室做博士后,2006年Valenzano将鳉鱼带到了加州。在那里,他开始利用来自水母的荧光绿蛋白基因,复制并编辑斑马鱼的方案,将其转移到异种基因内。2015年,Brunet与同事发表文章称,成功将CRISPR-Cas9基因编辑技术用于鳉鱼,生成了存在13种基因变异的鳉鱼,这些突变与端粒长度缩短以及线粒体失去功能等重要衰老特征存在关联。

因为鳉鱼并非哺乳动物,将鱼类基因与人类基因相关联仍存在跳跃性。鱼类基因通常具有相应的人类对应体,但有时很难找到。这在部分上是因为鳉鱼的祖先产生了全基因组复制,而人类DNA每个基因仅有一个复本,而鳉鱼却有两个复本。

但是在耶拿会议上,俄勒冈大学遗传学家John Postlethwait则提供了一个潜在的解决方法。他解释说这种方法就是利用另一种鱼类——斑点雀鳝的一个媒介基因组。斑点雀鳝的祖先分离自基因组复制事件之前的鳉鱼,因此其基因组在某种程度上与哺乳动物更为接近。科学家或能在斑点雀鳝的体内找到鳉鱼的某个基因,并在那里找到与人类相对应的基因。

培育有难度

然而,非洲鳉鱼也有不利的一面。例如,它不像斑马鱼等其他鱼类那样容易在实验室中成活。“你需要有一根‘蓝色拇指’。”Cellerino说,“至少需要有一人在全职照料这些鱼。”它们需要的空间也比斑马鱼多,斑马鱼可以在拥挤的环境中生存;而雄性鳉鱼有时会打架并干扰彼此的生长。因为鳉鱼繁殖得非常快,它们吃得也很多,因此会产生大量废物,导致水质变坏。“我们经常开玩笑说我们不养鱼,我们是生物过滤器。”阿拉巴马大学比较生理学家Mickie Powell说。

鳉鱼产卵量极大,一对鳉鱼每天可产20~40个卵。但是这些卵会变得非常棘手,因为它们需要在相对干燥的地方生长。科学家经常需要将卵转移到泥炭块上放3周,但是这些卵并不会同时孵化,因此需要有专人照料。

很多研究人员会给鳉鱼喂红蚯蚓,但是这种饲料的质量会随着季节及生产商而发生变化。研究鳉鱼食物标准的Powell表示,食物对其非常重要,例如食物会影响表观遗传标记,从而进一步影响寿命。她认为,食物选择或可解释为什么一些实验室报告的鳉鱼生命周期的差异。研究人员还需要更好地了解如何维持实验室鳉鱼体系的健康。

科学家仍在探索容易获取的其他模型系统。Valenzano 表示,鳉鱼研究人员之间的讨论已经从工具拓展转变到生物学方面。例如,在近日预印本服务器bioRxiv发表的一篇文章中,Cellerino及其同事描述了控制铁水平过程的一种微小核糖核酸在衰老的鳉鱼体内会被上调,从而防止大脑发生铁累积。这种微小核糖核酸的人体版本与阿尔茨海默氏症相关联,他补充说,该病症也与铁水平较高相关。(晋楠)


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