貓和老鼠手拉手面對實驗室,為遺傳學研究出一份力

2021年08月28日11:10

  來源:我是科學家iScientist

  如今,“吸貓”已成為年輕一代中風靡的新時尚。養貓曬貓,去貓咖擼貓,在各大小平台上“雲吸貓”是不少年輕朋友的日常。對於如我一般的科研狗們來說,在被科研蹂躪到精疲力盡時薅一隻貓貓來狠狠地吸上一口,頓時能平複壓力、滿血復活,同冰冷冷的數據再戰上三百回合。

  但誰能想到,貓咪除了給科研狗們精神慰藉之外,還能為人類的健康衛生科研事業添磚加瓦呢。2021年7月發在《遺傳學趨勢》(Trends in Genetics)的一篇文章指出,貓咪也適合當作模式動物,為遺傳學研究出一份力[1]。以後科研狗可以在實驗室正大光明吸貓啦!

  貓咪是人類的好朋友|Pixabay

  模式動物的選擇標準

  提到“模式動物”一詞,可能大家都比較陌生,但實際上我們生病時吃的藥,打的針,掛的水,都離不開模式動物的幫助才能被研發出來。

  生命科學研究領域的小夥伴們熟悉的小鼠、果蠅、斑馬魚都是基礎實驗室里常見的實驗動物,很多腦科學領域的模式動物還會涉及到非人的靈長類動物,如狨猴、食蟹猴和恒河猴等。

  1 食蟹猴(Macaca fascicularis) | Pixabay

  2 非洲爪蟾(Xenopus laevis) | Wikimedia Commons, Chris Brown / Public domain

  3 黑腹果蠅(Drosophila melanogaster) | Wikimedia Commons,

  André Karwath aka Aka / CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

  4 小家鼠(Mus musculus) | Wikimedia Commons,

  George Shuklin / CC BY-SA 1.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/1.0)

  5 斑馬魚(Zebrafish)| Wikimedia Commons, Azul

  這些模式動物都有什麼共性呢?什麼樣的動物才能成為合格的模式動物呢?

  《實驗動物醫學》(Laboratory Animal Medicine)一書詳細地論述了實驗動物的發展歷史。早在公元前2000年,當時的古巴比倫人和敘利亞人就保留了給動物手術、用藥的資料[3]。隨著時代的發展,模式動物的存在為揭示生物醫學領域的秘密提供了不可或缺的幫助。模式動物在研究中的比重越來越大,模式動物的概念和選擇標準也越來越清晰。

  並不是所有的動物都能成為模式動物的。在生命科學、醫藥健康領域研究中,與人類或其它稀有的被研究物種有極其相似的生理、病理特徵,且易獲得、易操作的實驗動物才有資格作為模式動物。所以,模式動物的選擇標準主要是三點:

  ·有研究價值。要與被研究物種有極其相似的生理、病理特徵。相似性越高,研究價值越大;

  ·世代短,子代多,易於繁殖。就像沒有人會選擇烏龜作為實驗動物一樣,實驗動物過長的壽命會給實驗者觀察帶來困難,嚴重拖緩實驗進程。同時,子代多且易於繁殖也會大大降低實驗成本;

  ·易於進行實驗操作。不同的動物生理特點、解剖構造大不相同,所以選擇動物來進行實驗時,就要考慮到每種動物的特徵。例如大鼠沒有膽囊,就不能選做膽囊相關的研究。

  “貓和老鼠”

  非常符合這三條標準的小鼠,早在17世紀時,就已成為實驗動物。

  目前,小鼠已是世界上研究得最為詳盡的哺乳類實驗動物。小鼠基因組測序計劃已經完成。小鼠和人類的基因非常相似,人類99%的基因都能在小鼠基因組中找到,而且同源性高達將近80%(指從演化角度看,具有相同祖先或者來源的基因)[9]。而且轉基因技術在小鼠上已十分成熟,能將我們需要研究的目的基因片段導入小鼠基因組中,從而構建我們需要的疾病小鼠模型。

  重視小鼠,科學家也沒有忘掉貓貓。貓也是一種非常優秀的模式動物。關於貓的疾病有豐富的獸醫學文獻,有250種貓的遺傳疾病與人類的遺傳疾病類似,其中球形細胞腦白質營養不良等18種已經找到發病機製和對應的治療方法 [6]。

  貓是一種非常優秀的模式動物|圖蟲創意

  貓還是幾種致命的人類病毒性疾病的研究模型,特別是貓愛滋病(FAIDS),其病原體貓類免疫缺陷病毒(Feline Immunodeficiency Virus ,FIV)與引起人類AIDS的HIV病毒,在構造及核甘酸的序列上具有相似性。這種病毒在14種自由放養的貓科動物中流行,包括家貓[4]。感染了貓愛滋病的貓咪也常會產生類似人類感染AIDS所引發的免疫不全等症狀。

  貓免疫缺陷病毒(FIV)和人免疫缺陷病毒(HIV)|參考文獻[4]

  此外,貓咪攜帶的貓白血病病毒、貓肉瘤病毒和貓冠狀病毒等,也為致病病毒的發現和其毒性模型的建立奠定了基礎。

  但在解密人類基因組與疾病的關繫上,研究貓的基因組具有比我們目前已知的更大的潛力和前景。今年7月發在《遺傳學趨勢》(Trends in Genetics)的一篇文章表明,在基因大小類似的基礎上,貓和人類的基因組相比狗或老鼠的基因組更加的保守,染色體重排更少。而且,與小鼠、大鼠、狗或豬等其他常見哺乳動物模型相比,基因在人類23對染色體上的分佈與在貓19對染色體上的分佈更相似。

  正是由於基因大小、數目、分佈的高度相似性,研究貓的基因組可能會為我們解密基因“暗物質”提供極大的幫助。就像占宇宙總質量85%的未知物質一樣,我們人類的基因組中有95%的序列不編碼蛋白質,也被形象地稱為基因“暗物質”。

  曾經我們認為這些序列屬於“垃圾”,因為這些序列不編碼蛋白質,而只有蛋白質才是生命活動的承擔者。然而研究表明,許多疾病的發生和發展可能與這些不編碼蛋白質的序列變化相關。

  例如,如果我們在與貓的斑狀白化病相關基因KIT周圍、不編碼蛋白質的基因“暗物質”里插入一段一定長度的、無意義的序列,就會影響KIT基因的正常表達,從而導致體內不能正常產生黑色素並遷移。體內黑色素的異常改變,會使貓咪獲得全白的毛髮或者在貓的毛髮中出現白色斑點。而且黑色素細胞還能幫助維持貓耳內毛細胞周圍液體的高鉀水平,一旦黑色素異常,不能維持高鉀水平,耳內毛細胞就會死亡,從而導致耳聾。所以即使是不直接編碼蛋白質的基因“暗物質”,我們也不能忽視它的改變可能會在調節生命活動的過程中發揮重要的作用。

  除了疾病研究,貓神經生物學研究的傳統課題中亦有貢獻。貓有許多與養育、防禦、暗示和馴服等有關的奇怪行為,這些行為似乎也受到基因的影響[5]。

  在諸多方面,貓都能成為一個優秀的模式動物,有巨大的研究潛力。

  善待實驗動物,關注動物福利

  或許愛貓人士們從看到文章標題時,就陷“為貓咪感到驕傲,又心疼貓貓要經曆太多”的糾結心態中。但大家不要太擔心,以美國舉例,作為實驗動物的貓咪數量已從1974年的7萬4千多隻,減少到了2019年的1萬8千多隻。

  在美國,每年用於研究的貓咪數量呈逐年下降趨勢|參考文獻[8]

  而且現如今,維護實驗動物的福利已形成全球共識。每年的4月24日是“世界實驗動物日”, 前後一週則被稱為“實驗動物周”,世界各地的人們會舉辦各種活動,呼籲大家關注實驗動物的健康和福祉。此外,國際上認可實驗動物的“3R”基本原則,即替代(Replace)、減少(Reduce)、優化(Refine)。儘量用無知覺實驗材料替代活體動物,減少實驗動物用量,創造一個好的實驗環境或減少給動物造成的疼痛和不安。

  群體飼養的貓咪更外向,更願意與飼養者互動。安裝架子可以讓貓利用垂直和水平的空間,減少過度擁擠 | 參考文獻[6]

  在我們看不到的地方,這些貓咪們默默地付出了許多。當我們享受醫學科技發展帶來的福利時,不妨給家裡的貓主子多加一把小魚乾吧。

  參考文獻

  [1]Lyons L A。 Cats–telomere to telomere and nose to tail[J]。 Trends in Genetics, 2021。

  [2]Fox J G。 Laboratory animal medicine[M]。 Elsevier, 2015。

  [3]Troyer J L, Pecon-Slattery J, Roelke M E, et al。 Seroprevalence and genomic divergence of circulating strains of feline immunodeficiency virus among Felidae and Hyaenidae species[J]。 Journal of virology, 2005, 79(13): 8282-8294。

  [4]Lin Y C, Torbett B E, Elder J H。 Generation of infectious feline immunodeficiency virus (FIV) encoding FIV/human immunodeficiency virus chimeric protease[J]。 Journal of virology, 2010, 84(13): 6799-6809。

  [5]O’Brien S J, Johnson W, Driscoll C, et al。 State of cat genomics[J]。 Trends in genetics, 2008, 24(6): 268-279。

  [6]Griffin B, Baker H J。 Domestic cats as laboratory animals[J]。 Laboratory animal medicine, 2002: 459。

  [7]http://www.simm.cas.cn/kxcb/kxcb_kpwz/201704/t20170424_4779185.html

  [8]https://navs.org/learn-more/cats-in-research/

  [9]Waterston R H, Pachter L。 Initial sequencing and comparative analysis of the mouse genome[J]。 Nature, 2002, 420(6915): 520-562。

  作者:筱筱

  編輯:悲催的鉈寶寶 酥魚

  排版:洗碗

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