科學家利用鱂魚研究人類衰老—新聞—科學網

2021-01-08 科學網

藍綠鱂魚壽命轉瞬即逝，它們有助於科學家研究影響人類衰老的機制。圖片來源：Sebastian Kahnert/DPA/Picture Alliance

生理學家Alessandro Cellerino是一名水族館狂熱者，但一開始魚類並不在他的研究計劃中。2000年的一個下午，他和飼養者Stefano Valdesalici一起在義大利北部卡諾薩的一個裝滿水族箱的室內閒聊，Cellerino一時興起便問後者哪種魚的壽命最短。Valdesalici指著一個水族箱中長著亮色斑點的非洲藍綠鱂魚說：「它們活不過3個月。」

「你在開玩笑嗎？」在比薩高等師範學校工作的Cellerino問道，「好，那我就要它們了。」

此後，2004年3月，Cellerino和研究生Dario Riccardo Valenzano以及卡諾薩鱂魚協會主席Valdesalici駕駛一輛四輪卡車來到了莫三比克。他們穿上了齊胸高的防水靴，戴上手套，在牛糞堆形成的季節性泥坑裡忙活著，藍綠鱂魚就生活在那裡。和水族館中的鱂魚一樣，這些野生的品系生命尤其短。在各種鱂魚屬中，藍綠鱂魚的生命周期最短，而且是圈養繁殖的脊椎動物中生命周期最短的物種，根據品系和生存環境的不同，生命周期為3至12個月不等。

利用鱂魚研究衰老並不是新想法。20世紀末期，科學家曾利用生命周期為14個月的貢氏圓尾鱂研究衰老。但是考慮到當時可獲取的技術，他們只能對衰老特徵作出最基本的描述。當Cellerino遇到藍綠鱂魚之後，他碰到了很好的時機和運氣：分子分析的進步已經為建立相關模型以及研究衰老背後的機制奠定了良好基礎。

魚與人同理

與小鼠和斑馬魚等動物模型相比，鱂魚的一生更加短暫，這使得研究人員可以飛快地研究衰老過程。因為魚類是脊椎動物，因此與果蠅和線蟲等生命較為短暫的動物相比，這項研究可以與人類產生更加直接的關係。

今年7月，約有70名的鱂魚研究狂熱者在德國耶拿共聚一堂，參加第二屆假鰓鱂專題研討會。然而，當前由於缺乏飼養鱂魚的標準飲食以及專用的抗生素等基本試劑，使其發揮諸如實驗室小鼠的應用功能仍有相當長的路要走。

這種轉瞬即逝的生命吸引科學家的地方在於其進化過程中對自然環境的適應：它們的加速發育使其可以在赤道非洲地區短暫溼季形成的泥塘中生存、繁衍。它們產的卵會在乾季休眠，並在雨季到來形成池塘後再次孵化。在水源乾涸之前，它們僅有數周或數月時間生長、產卵。

但是這項研究隱藏著另一個問題：鱂魚衰老過程會與人類平行嗎？會的，Valenzano說。這種魚在死亡前也會衰老。「它們不是4個月之後一下死亡，而是會逐漸衰老。」他說。這種魚的顏色會逐漸變暗，肌肉減少，體重下降，出現癌症，而且遊水逐漸減少。

而且它們的大腦也會呈現衰老跡象，那不勒斯費得裡科第二大學解剖學專家Livia D』Angelo說。正如大腦衰老過程中與年齡相關的現象一樣，其神經膠質（為神經元提供支撐和保護的大腦細胞）能夠上調膠質纖維酸（GFAP）。Valenzano補充說，鱂魚神經元退化以及積累澱粉樣分子的過程與罹患阿爾茨海默氏症的特徵類似。這種魚類對於抗衰老藥物幹預的應答也與一些生命周期短暫的脊椎動物類似。白藜蘆醇（紅酒中可延長線蟲和果蠅生命的物質）能夠使其生命延長59%。

基因對應體

了解鱂魚會隨著年齡增加而衰老之後，科學家希望了解這一過程如何發生。其中一個關鍵資源是從非洲採集基因並不完全相同的若干種品系。科學家有4種品系可供選擇，Cellerino表示它們包括最初的辛巴威品系以及2004年到2007年從莫三比克採集的其他3種品系，後者擁有略長一些的生命周期。

通過對兩個品系進行交叉育種，Cellerino與同事獲得了擁有不同生命周期的鱂魚。他們隨後對比了第一代和第二代鱂魚的基因及壽命，並鑑別了個別染色體區域，每種鱂魚都含有數百種可能影響衰老的基因。儘管這些研究並未直接揭示與壽命相關的基因，卻揭示了潛在的候選基因。科學家從這項研究中推測，藍綠鱂魚約有32%的壽命變化與遺傳有關，而小鼠與遺傳相關的貢獻為20%~35%。

從那時起，讓鱂魚成為有效研究模型的嘗試加速了。美國加州史丹福大學遺傳學家Anne Brunet一直期望得到一種生命短暫的脊椎動物研究模型，當Valenzano為一期夏季講堂造訪該校時，Brunet非常高興獲得這一消息，並邀請Valenzano到其實驗室做博士後，2006年Valenzano將鱂魚帶到了加州。在那裡，他開始利用來自水母的螢光綠蛋白基因，複製並編輯斑馬魚的方案，將其轉移到異種基因內。2015年，Brunet與同事發表文章稱，成功將CRISPR-Cas9基因編輯技術用於鱂魚，生成了存在13種基因變異的鱂魚，這些突變與端粒長度縮短以及線粒體失去功能等重要衰老特徵存在關聯。

因為鱂魚並非哺乳動物，將魚類基因與人類基因相關聯仍存在跳躍性。魚類基因通常具有相應的人類對應體，但有時很難找到。這在部分上是因為鱂魚的祖先產生了全基因組複製，而人類DNA每個基因僅有一個複本，而鱂魚卻有兩個複本。

但是在耶拿會議上，俄勒岡大學遺傳學家John Postlethwait則提供了一個潛在的解決方法。他解釋說這種方法就是利用另一種魚類——斑點雀鱔的一個媒介基因組。斑點雀鱔的祖先分離自基因組複製事件之前的鱂魚，因此其基因組在某種程度上與哺乳動物更為接近。科學家或能在斑點雀鱔的體內找到鱂魚的某個基因，並在那裡找到與人類相對應的基因。

培育有難度

然而，非洲鱂魚也有不利的一面。例如，它不像斑馬魚等其他魚類那樣容易在實驗室中成活。「你需要有一根『藍色拇指』。」Cellerino說，「至少需要有一人在全職照料這些魚。」它們需要的空間也比斑馬魚多，斑馬魚可以在擁擠的環境中生存；而雄性鱂魚有時會打架並幹擾彼此的生長。因為鱂魚繁殖得非常快，它們吃得也很多，因此會產生大量廢物，導致水質變壞。「我們經常開玩笑說我們不養魚，我們是生物過濾器。」阿拉巴馬大學比較生理學家Mickie Powell說。

鱂魚產卵量極大，一對鱂魚每天可產20~40個卵。但是這些卵會變得非常棘手，因為它們需要在相對乾燥的地方生長。科學家經常需要將卵轉移到泥炭塊上放3周，但是這些卵並不會同時孵化，因此需要有專人照料。

很多研究人員會給鱂魚餵紅蚯蚓，但是這種飼料的質量會隨著季節及生產商而發生變化。研究鱂魚食物標準的Powell表示，食物對其非常重要，例如食物會影響表觀遺傳標記，從而進一步影響壽命。她認為，食物選擇或可解釋為什麼一些實驗室報告的鱂魚生命周期的差異。研究人員還需要更好地了解如何維持實驗室鱂魚體系的健康。

科學家仍在探索容易獲取的其他模型系統。Valenzano 表示，鱂魚研究人員之間的討論已經從工具拓展轉變到生物學方面。例如，在近日預印本伺服器bioRxiv發表的一篇文章中，Cellerino及其同事描述了控制鐵水平過程的一種微小核糖核酸在衰老的鱂魚體內會被上調，從而防止大腦發生鐵累積。這種微小核糖核酸的人體版本與阿爾茨海默氏症相關聯，他補充說，該病症也與鐵水平較高相關。（晉楠）

《中國科學報》 (2016-08-22 第3版 國際)
 

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