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小鼠狐猴或将成为遗传研究新模型

Jun 18, 2019 No Comments

小鼠狐猴或将成为遗传研究新模型1

在回归野外之前,一只小鼠狐猴在马达加斯加的野外实验室展示了自己的力量。


小鼠狐猴是世界上最小的灵长类动物,比小鼠更能模拟人类,可能成为下一个最常用的模式生物。

小鼠狐猴Onja今晚有个特别的任务,它把爪子搭在了测力仪的握杆上。拉努马法纳国家公园 (Ranomafana National Park)研究站Valbio中心的研究助理Zeph Pendleton固定住测力计的另一端,鼓励Onja说,“来吧,你可以做得更好。”最后,Onja用爪子握住拉力杆,用力拽了一下。测力计显示,Onja的拉力达到1公斤,这非常惊人,毕竟Onja的体重只有41克。“很好,”Pendleton赞叹道。

沐浴在昏暗的红灯下,从加州斯坦福大学(Stanford University)来到这里的Pendleton对Onja进行了全方位的检查。他把它的爪子放在改装的iPhone上以测量它心脏的电活动。他检查了它的长度和体重——它在不到一周内增加了2克——然后他拍了一张照片,最终将信息记录到一个不断扩大的小鼠狐猴数据库中。

最后,Pendleton将Onja放回笼子里,用一个黑色的袋子盖住它,以保护夜行动物的眼睛,穿过明亮的走廊,然后把它放回热带雨林。

Onja(意思是海浪),是迄今为止参与到小鼠狐猴项目中的500只小鼠狐猴中的一只。该项目旨在解析这种小型的原猴亚目灵长类动物的遗传学。斯坦福大学(Stanford University)生物化学Mark Krasnow的创新项目正在研究大量野生的灰色和棕色的小鼠狐猴(分别是Microcebus murinusMicrocebus rufus),研究他们的基因如何导致两种小鼠狐猴在生物学、健康和行为上的差异。

Krasnow认为,小鼠狐猴可能成为遗传学研究的重要模式动物,甚至可以与普通实验室小鼠Mus musculus相媲美,至少在某些问题的研究上如此。从遗传学角度讲,小鼠狐猴与人类的关系更为密切,但又具有小鼠的小尺寸、快速繁殖等诸多优点。因此,小鼠狐猴可用于揭示一些关于人类生物学和疾病的问题,而小鼠根本无法做到这一点。Krasnow指出,你可能听到过很多关于小鼠在阐明人类生物学方面取得的成功,但你还没有听到的是,小鼠在模拟人体生物学中的很多方面是非常失败的,从行为到疾病和身体特征。他认为,小鼠狐猴可以在很大程度上解决这个问题。

虽然建立一个新的模式生物并非易事,但科学家和资助机构正在密切关注小鼠狐猴。研究人员对其基因组进行了测序,Krasnow和他在斯坦福大学的合作者,以及加州大学旧金山分校的陈-扎克伯格生物中心(Chan Zuckerberg Biohub)很快将发布一个小鼠狐猴的单细胞图集。该图集详细描述了来自小鼠狐猴身体各处的数十万个细胞中的基因活性,将成为继小鼠之后第二个哺乳动物细胞图谱。世界各地的几个实验室已经建立了小鼠狐猴的饲养基地,以探索阿尔茨海默病和进化等各种主题。

 

 

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研究人员通过追踪一群野生小鼠狐猴,识别了它们的各种行为和健康特质。

 


开始该项目十年后,Krasnow表示,这个项目已经取得了“巨大的成功”。他的团队已经确定了数十种独特的小鼠狐猴特征,其中许多与医学相关,如心律失常、运动障碍和高胆固醇。研究人员现在正在开始将这些特征与其基因组中发现的突变联系起来,这种方法可以揭示复杂的灵长类行为和人类疾病的遗传基础。

Google旗下抗衰老公司Calico的比较生物学家Rochelle Buffenstein表示,他喜欢使用新的模式生物,小鼠对生物学做出了巨大的贡献,但它们也只能止步于此了。开创了使用裸鼹鼠(Heterocephalus glaber)作为模式生物的努力的Buffenstein指出,在小鼠身上有效的肥胖和老年痴呆症的治疗方法的临床转化最终都以失败告终。尽管小鼠狐猴可能永远不会取代更为成熟的灵长类动物模型,例如猕猴,但Buffenstein希望拓展可使用的模式生物,正如他所说的,“模型越多越好。”

 

观念的飞跃

这个小鼠狐猴项目开始于2009年的炎热干燥的夏季。当时Krasnow十多岁的女儿Maya和她的朋友正在斯坦福大学的实验室工作。现在是纽约罗切斯特大学(University of Rochester)的一名24岁医学院学生的Camille Ezran表示,他们问了Mark一千多次,小鼠狐猴能否作为新的模式生物。最后,他答应试试。Ezran等人磨了Mark几个月,才给小鼠狐猴争取到了这个机会。幸运的是,尝试的第一天,Krasnow就告诉Ezran、Maya和他们的朋友Jason Willick,小鼠狐猴可能是一种新的遗传模型生物——小鼠狐猴比小鼠更接近人类生物学。

学生们搜索了动物王国,为每个候选动物编制了一份特征电子表格,包括性成熟时间、产仔数和保护状况。他们考虑了北方的树鼩(Tupaia belangeri)、侏狨(Callithrix pygmaea)和其它灵长类动物,包括丛林婴儿(Galagoides demidoff)和眼镜猴(Tarsius tarsier)。但是小鼠狐猴脱颖而出。它的妊娠时间为2个月,在6-8个月内达到性成熟,是生殖力最旺盛的灵长类动物,每窝最多4个后代。这些因素使得在短短几年内研究几代小鼠狐猴成为可能。相比之下,广泛使用的猕猴(Macacca mulatta)需要大约4年才能达到成熟,妊娠时间长达5.5个月,并且一次只有一个后代。

像所有狐猴一样,小鼠狐猴只生活在马达加斯加,其中一些种属濒临灭绝。但Ezran表示,常见的小鼠狐猴数目很多,以至于它们可以在野外轻松地被研究。几十年来,野外生物学家一直在给小鼠狐猴植入微芯片,并在5到10年的寿命期间跟踪它们,研究从声音交流到觅食的一切特性。大型实验室养殖表明,小鼠狐猴可以很好地适应人工饲养。

Krasnow之后一段时间非常忙碌。在学校放假期间,他和学生们参加了“狐猴之旅”,拜访了灵长类动物专家,并访问了北卡罗来纳州和巴黎的小鼠狐猴殖民地,然后在2010年前往马达加斯加。他指出,他们非常兴奋。研究人员欢迎Krasnow等人进入他们的实验室。许多人成为了Krasnow的合作者和导师。

Krasnow接触的许多研究人员彼此从未见过面。因此,2011年,他和斯坦福大学的灵长类研究员兼实验动物兽医医生Megan Albertelli在弗吉尼亚州阿什本霍华德·休斯医学研究所珍利亚研究园区(Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus)举办了首次小鼠狐猴会议。他们邀请到了大约40名科学家,包括全世界20个左右研究小鼠狐猴的团队的代表,以及人类遗传学家和模式生物专家。大家很热情,但持不同意见。

Krasnow表示,现在他们知道,野外生物学家认为他们的研究对象与实验室科学家不同。实验室科学家的一些强大技术,如遗传修饰,对于野外生物学家来说是不可想象的。他们对小鼠狐猴受试者充满热情,就像其他灵长类动物学家一样,认为这些动物和人类有一种神秘的联系。

科学家开发了一种基于强大而微创的基因工具的科学策略。研究人员将以野生小鼠狐猴为研究对象,筛选它们的独特性状,并收集它们的DNA用于进一步分析。这个过程中不涉及基因改造,也不需要将动物带回斯坦福大学或其他海外研究机构。除了定期捕获,动物将居住在森林中。该团队将培训马达加斯加的研究人员成为该项目的一部分。Krasnow表示,他们希望找到一种尊重自然的遗传学方法。

Patricia Wright是纽约石溪大学(Stony Brook University)著名的狐猴灵长类动物学家,也是ValBio中心野外站的创立者和经营者。他很快成为了该项目的重要合作者。 到2012年中期,Krasnow和学生们为那里的分子生物学实验室配置了数十万美元的设备和用品。现在ValBio中心野外站是他们的研究基地。

 

捕获和释放

2019年5月的一个傍晚,Krasnow的团队前往热带雨林设置陷阱。专业追踪者Victor Rasendry在拉努马法纳国家公园研究了十多年的小鼠狐猴,他建议设置陷阱,他们放置的树枝需要成角度才能抓住小鼠狐猴。研究人员用香蕉片设计了约30个陷阱,然后离开。晚上9点左右,他们回来了。

晚上下着大雨,天也是漆黑一片,研究人员只能用大灯来刺破黑暗。Rasendry在树木之间穿梭,在Haja Razafindrakoto和她的丈夫Mahery Razafindrakoto的帮助下检查陷阱。Razafindrakoto夫妇几乎从一开始就参与了这个项目。一个又一个陷阱是空的。然后,在山脚附近,Haja 兴奋地喊道,“这里有一只。”几分钟后,他们又找到了另一只。其中一只就是Onja。

该团队希望能抓到更多小鼠狐猴,但当时正在降温,动物开始进入冬眠。该团队计划提前开始其野外工作,但由于台风和该国前所未有的鼠疫爆发,计划不得不推迟。

在ValBio中心的实验室内,Pendleton开始着手研究小鼠狐猴的特性。除了Onja之外,他们还抓住了一只年轻的雄性小鼠狐猴Lahatra——这个名字意思是命运。Lahatra力气比较小,在拉杆测试中的拉力是300 g。它的脾气非常暴躁,一度扭着头去咬Pendleton厚厚的手套,然后发出一声低沉的抱怨。Pendleton指出,它很焦躁,而且想让他们知道这一点。

 

 

小鼠狐猴或将成为遗传研究新模型3

这些面部照片能帮助科学家追踪一些小鼠狐猴的身体特征,同时也反映了这些动物的独特个性。

 

Onja和Lahatra之前都被抓到过,且被植入过微芯片,这使得研究人员能够立即识别它们。在首次被捕获时,这些小动物会在实验室待上2小时,接受一系列广泛的检查,包含大约70次检测。在对这些动物进行微芯片植入之后,研究小组会从小鼠狐猴的腿上采集一点点血液样本,并从耳朵上取了一点组织样本——科学家将小鼠狐猴的皮肤细胞处理成细胞株和DNA样本。然后这些小动物将接受一系列标准测试。

科学家检查了小鼠狐猴的听力和视力。他们也测量了尾巴的基部,也就是储存脂肪的位置,以及头骨的宽度——年龄的良好指标。他们让小鼠狐猴穿过一个由测量果蝇步态的设备改装而成的、名为Prosimian Promenade透明管道,并基于此分析了小鼠狐猴的步态。

Krasnow表示,通过对自然突变的广泛研究,他们发现大约五分之一的小鼠狐猴拥有一种有趣或相当极端的特征——不重要的特征包括特殊的眼珠颜色,重要的特征包括心律失常。到目前为止,该团队已经确定了20多个独特的特征。生物医学相关的特征包括进行性眼病、病态肥胖、糖尿病和小头畸形(一种以头部尺寸小于平均值为特征的疾病)的早期征兆。

小鼠狐猴的个性也很突出,通常反映在研究人员给它们取的名字中。大多数小鼠狐猴都很温顺易驯服,但名叫Feisty的则具有很强的攻击性。Murderface是另一只咄咄逼人的小鼠狐猴,它的尖叫声非常不寻常,特别尖锐。Blinky(意思是亮闪闪的眼睛)和Stoic(意思是坚忍)就名如其猴了。Pendleton特别喜欢Alphy——一只除了去年每年都抓到过的雄性小鼠狐猴。Pendleton指出,它是一只很好的受试者。他认为它真的很喜欢香蕉。最近没见过Alphy,Pendleton非常担心。

回到斯坦福大学,研究人员正在绘制决定小鼠狐猴独特特性的基因。到目前为止,他们已经确定了一些特征如何在家族中聚集,并且他们正在绘制系谱图,希望由此找到决定一个独特特性的基因。研究人员首先关注的是一种名为stutter-stepping的运动障碍,患有该病的小鼠狐猴在接触地面后会立刻把爪子抬起来。他们也在研究人类中常见的致命疾病,如病态窦房结综合症。在该疾病中,心脏的起搏器——窦房结,比正常情况下跳得慢或不规律。

Hopi Hoekstra是哈佛大学(Harvard University)的一位进化生物学家。他指出,这种利用自然突变的想法“已被证明是非常强大的”。 Hoekstra以野生小鼠为研究模型。她认为,小鼠与人一样,具有遗传的多样性,是研究人类突变的优秀模型。这种突变在恶劣的野外环境中经受了自然选择。

Krasnow的团队现在正在开始第二阶段。这一阶段需要进行深层基因组筛选,识别天然存在的、使基因失活的,被称为功能丧失突变的突变。为了找到这些突变,Krasnow等人打算对他们捕获的每只动物,而不仅仅是那些具有独特性状的动物,进行基因组测序,并将它们与2017年发表的基因组进行比较。Krasnow希望最终得到一个包含小鼠狐猴所有功能丧失突变(大约2000个)的数据库。这个数据库类似于国际小鼠表型分析联盟(International Mouse Phenotyping Consortium),这是一个多中心合作,致力于通过使基因突变——逐个敲除基因——来确定小鼠基因组中每个基因的功能。

Krasnow表示,当有动物产生突变时,他们只是观察它们。他认为,这种方法不仅更快,更便宜,而且还避免了非人灵长类动物的基因工程技术面临的伦理问题。对特定基因功能感兴趣的研究人员可以在Krasnow的文库中寻找突变,看看携带该基因突变的动物是否存在任何重要的生理特征。Krasnow的团队甚至有可能重新捕获特定动物,或其亲属,以进行后续研究。

Buffenstein非常支持这项研究,他认为,如果Mark可以在不进行遗传操作的情况下利用自然突变,那就太棒了。

 

寄予厚望

没有人知道小鼠狐猴是否会成为新的模式生物,Krasnow也深知这一点。但他对此寄予厚望。他没有将小鼠狐猴看作是研究特定问题的“精品”模型,相反,他将其视为“规范”或通用模型,就像小鼠一样,可用于探索灵长类生物学、疾病和生态学的许多不同方面。开发任何模型需要数年时间。虽然Krasnow的工作是微创的——只是取来自耳朵的一小块组织和200微升血样——任何关于灵长类动物的研究都会触动伦理方面的敏感神经。

他认为,他会在一两年内知道其他生物学家是否会接受小鼠狐猴成为新的模式生物。一旦有学术群体交换结果、技术和试剂,那么你对这种动物的了解就越多,其他人就越有可能想要使用它。这就是为什么他对斯坦福大学和陈-扎克伯格生物中心花100万美金合作建造单细胞图谱的合作感到特别兴奋的原因。

这张图谱是在Stumpy不幸去世之后发生的,Stumpy是从其他地方的一项研究中退休的几只小鼠狐猴之一。当患上肺炎时,Stumpy大约10岁,相当于人类的100岁左右。意识到Stumpy的健康状况不佳,Krasnow和斯坦福大学的生物工程师、陈-扎克伯格生物中心的联合总裁Steve Quake组织了一个由52名专家组成的团队,计划对死去的小鼠狐猴进行研究。他们迅速地从每个器官中分离出细胞,并进行单细胞RNA测序。得到的图谱显示了来自30个主要器官的25万个细胞中的一组表达基因。Quake指出,研究人员将在今年发表该项目的相关论文之前公开数据。

他还表示,该图谱“将真正推动小鼠狐猴成为模式生物”。从去年发表的小鼠细胞图谱来看,Quake预测研究人员将用小鼠狐猴研究“各种各样的课题”;例如,查看组织之间的关系、探索雄雌差异,或寻找新的药物目标。

杜克大学(Duke University)专门研究小鼠狐猴的进化生物学家Anne Yoder认为,这将是一个令人难以置信的资源。她指出,由于许多疾病都是组织特异性的,因此图谱可以提供对疾病风险遗传以及健康和生物功能的其它方面的见解。此外,当人类细胞图谱完成后,研究人员将能够探索疾病的进化根源。

Krasnow表示,成功的最终标准是该模型是否能够回答科学家在项目开始时没有想到的重要问题,例如确定影响森林砍伐或气候变化情况下生存能力的基因。

不过,其他研究人员提醒,Krasnow的任务很可能实现不了他的大胆前景。德克萨斯州休斯顿贝勒医学院(Baylor College of Medicine)的Jeffrey Rogers等人对小鼠狐猴的基因组进行了测序,称该计划“令人敬畏”。但他没有看到研究人员从最广泛使用的灵长类动物模型——猕猴、狒狒或狨——转换成小鼠狐猴,因为相比于小鼠狐猴,研究者们显然对经典的模式生物更了解。Rogers指出,有时他认为,Mark对其它灵长类动物模型有点过于宽容。并不是任何动物都能成为模型的。

麻省理工学院-哈佛大学博德研究所(Broad Institute of MIT and Harvard)的Daniel MacArthur对Krasnow的一些野心持怀疑态度。研究人类自然发生的功能丧失突变的MacArthur “非常怀疑研究自然发生的小鼠狐猴功能丧失突变是否会给我们带来对人类生物学的变革性见解”。他认为,这是因为重要的、引起疾病的功能丧失突变往往非常罕见。如果你想研究自然发生的敲除物,那么最好的模型就是人类,因为已经有超过200万的人的测序数据。MacArthur表示,虽然他看好增加新的灵长类模式生物的前景,但他担心即使采用非常谨慎的方法,在野外研究小鼠狐猴可能也会影响这种动物的生活。

而Krasnow肯定会遇到来自同行的阻力。Buffenstein不知疲倦地开发了裸鼹鼠——一种栖息在地下的长寿啮齿动物——作为衰老和疼痛研究的经典模型。她预测,Mark会碰到各种障碍。很多人会质疑,‘你没有最先进的工具来完成你正在进行的研究。为什么不用小鼠做模型?’

但Krasnow已经在寻找扩大小鼠狐猴研究的方法。他的目标是通过让学生在外面探索他所谓的“活体实验室”来“帮助改变”该国的生物学教育。Krasnow设想了一个公民科学项目,马达加斯加的高中学生将在他们自己的后院中筛选成千上万的鼠狐猴,然后对其基因组进行测序,从而大大扩展了数据库。作为第一步,他正在为塔那那利佛大学(University of Antananarivo)的生物学研究生教授小鼠狐猴遗传学。

他还联系了保护组织解释其项目,并强调在面对马达加斯加日益加剧的环境破坏的情况下维持小鼠狐猴栖息地的重要性。 Yoder认为,任何研究小鼠狐猴的人都是环保主义者。

目前,在拉努马法纳国家公园,小鼠狐猴种群正在日益壮大。在5月下旬的午夜,当团队从实验室出来时,雨林笼罩在雾中。他们回到设置陷阱的滑坡上,放走了Onja和Lahatra。研究人员特地把它们放回到之前被捕的同一树枝上。这些动物在离开笼子之前犹豫不决,仿佛找了一会儿方向,然后它们就会爬上树木,缓缓离开。科学家看着它们闪亮的大眼睛消失在森林里。

 

原文检索:
Leslie Roberts. (2019) Small, furry and powerful: are mouse lemurs the next big thing in genetics? Nature, 570:151-154.
张洁/编译

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