生理學家亞歷山德羅·切萊裡諾一直是一位水族館愛好者，但魚類最初並非他研究計劃的一部分。2000年的一個下午，在義大利卡諾薩的一個堆滿水箱的地下室裡與育種者斯特凡諾·瓦爾德薩利奇閒聊時，切萊裡諾漫不經心地問他哪種魚壽命最短。瓦爾德薩利奇指著一個裝有色彩鮮豔的非洲青 turquoise 鱂魚的水箱：“它們的壽命不會超過三個月。”
“你在開玩笑吧？”在義大利比薩高等師範學院工作的切萊裡諾問道。“好吧，我想要它們。”
因此，在2004年3月，切萊裡諾和他的研究生達里奧·裡卡多·瓦倫扎諾發現自己與義大利鱂魚協會主席瓦爾德薩利奇一起乘坐四輪驅動卡車在莫三比克顛簸前行。他們穿上齊胸高的防水靴和手套，從魚類棲息的季節性、佈滿牛糞的泥坑中捕撈鱂魚。與水箱中繁殖的版本一樣，這些野生品系也異常短命。在眾多鱂魚品種中，青 turquoise 鱂魚（Nothobranchius furzeri）的壽命最短，是任何圈養脊椎動物中最短的，壽命從3到12個月不等，具體取決於品系和生活條件。
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使用鱂魚研究衰老並非新想法。在二十世紀後期，科學家研究了一種名為Nothobranchius guentheri的鱂魚的衰老，該物種的壽命約為14個月。但是，鑑於當時可用的技術，他們只能提出關於衰老特徵的基本描述。當切萊裡諾遇到N. furzeri時，時機和運氣都站在他這邊：分子分析的進步為開發該模型和研究其衰老背後的機制創造了極好的條件。
相對於小鼠和斑馬魚等壽命更長的模型，鱂魚的壽命較短，這使得衰老研究能夠快速進展。而且由於鱂魚是脊椎動物，因此與果蠅或線蟲等短壽命生物的研究相比，這項研究與人類更直接相關（參見“壽命的長短”）。
點選放大。圖片來源：Nature 535, 453–455 (2016年7月21日) doi:10.1038/535453a
為了建立鱂魚模型，研究人員利用了現代基因組工具，並借鑑了成熟的斑馬魚協議技術，而不是從頭開始。2015年，關於鱂魚基於CRISPR–Cas9的基因編輯技術的發表，以及兩項互補的基因組測序工作，將鱂魚提升為可進行基因操作的模型的地位。
鱂魚——或一些科學家親切地稱之為Notho——無疑正在贏得粉絲。瓦倫扎諾說，人們的興趣“在過去幾年裡真正爆發了”，他現在在德國科隆的馬克斯·普朗克衰老生物學研究所工作。他估計，去年大約有二十多位科學家訪問了他的團隊，學習鱂魚的飼養方法。6月份，大約70位Notho愛好者參加了在德國耶拿舉行的第二屆Nothobranchius研討會。但是，飼養鱂魚的挑戰——例如缺乏標準化飲食——以及對基本試劑（例如Notho特異性抗體）的需求意味著，鱂魚要達到實驗室小鼠的實用性還有很長的路要走。
對科學家如此有吸引力的短暫存在是魚類對其自然環境的一種進化適應：它們的加速發育使它們能夠在赤道非洲雨季的短暫泥塘中生存和繁殖。魚卵在旱季以休眠狀態存活，一旦雨季來臨，水坑形成，它們就會孵化。魚只有幾周或幾個月的時間長大併產卵，然後水就會乾涸。
自1968年在辛巴威發現青 turquoise 鱂魚以來，業餘愛好者就被雄魚豔麗的外觀所吸引，一直在收集它們。因此，切萊裡諾面臨的第一個挑戰是確認它們的壽命並非數十年水箱繁殖的副作用。切萊裡諾團隊在莫三比克捕獲的大多數野生N. furzeri的壽命約為八個月——不如辛巴威近交品系那麼短，但仍然足夠引起科學家的興趣。
但這又引出了另一個問題：鱂魚的衰老方式是否與人類的衰老過程相似？瓦倫扎諾說是的：魚在死亡前確實會“變老”。“它們不會在四個月後突然死亡，”他說。“它們會慢慢衰退。”魚的顏色變得暗淡，失去肌肉量和體重，患上癌症，並且游泳減少。
義大利那不勒斯腓特烈二世大學的解剖學家莉維亞·丹傑洛說，大腦也顯示出衰老的典型跡象。神經膠質細胞——為神經元提供支援和保護的大腦細胞——上調膠質纖維酸性蛋白GFAP，這與哺乳動物衰老時的情況相同，並且富含脂質的與年齡相關的色素顆粒稱為脂褐素會積聚。瓦倫扎諾補充說，神經元會退化並沉積聚集的澱粉樣分子，類似於阿爾茨海默病患者中看到的斑塊。他還發現，老魚的學習能力不如年輕魚。年輕魚很快就能弄清楚如何避免不愉快的刺激，例如在水箱中旋轉的塑膠棒，而老魚則需要更長的時間才能理解。“對於神經科學研究來說，這是一個非常好的模型，”丹傑洛說。
魚類對延緩衰老的干預措施的反應也與一些短壽命脊椎動物非常相似。白藜蘆醇——紅酒中延長線蟲和果蠅壽命的物質——可以將它們的壽命延長高達59%。限制每天隔天餵食會產生熱量不足，已知這種熱量不足可以延長從酵母到齧齒動物的生物體的壽命，並且對鱂魚也同樣有效，儘管效果因品系而異。
捕魚結束
在證明鱂魚會隨著年齡增長而衰退之後，科學家現在想了解這個過程是如何發生的。一個關鍵資源是來自非洲的幾個品系的集合，這些品系的基因組並不相同。切萊裡諾說，Notho科學家有四個主要品系可供選擇：最初的辛巴威品系，以及三個源自2004年和2007年在莫三比克捕獲的魚類的品系，這些品系的壽命稍長。
透過雜交兩個品系，切萊裡諾和他的團隊創造出了壽命範圍不同的魚。然後，他們比較了親本和第二代後代的基因組和壽命，並確定了一些染色體區域，每個區域都有數百個可能影響衰老的基因。儘管這些區域沒有直接揭示參與長壽的基因，但它們暗示了可能的候選基因。從這項研究中，科學家估計，青 turquoise 鱂魚壽命變異的大約32%是遺傳因素造成的，這個數字與小鼠中估計的20-35%的遺傳貢獻相當。
從那時起，鱂魚向有效研究模型的轉變加速了。加利福尼亞州斯坦福大學研究衰老的遺傳學家安妮·布魯內特一直渴望有一種短壽命的脊椎動物，當瓦倫扎諾訪問斯坦福參加夏季課程時，她很高興聽到鱂魚的訊息。她招募他到她的實驗室做博士後，2006年，瓦倫扎諾將鱂魚帶到加利福尼亞。在那裡，他複製並修改了斑馬魚的協議，以轉移外源基因，從水母的綠色熒光蛋白基因開始。2015年，布魯內特和她的同事報告了在鱂魚中成功使用CRISPR–Cas9基因編輯，產生了在端粒縮短和線粒體功能障礙等關鍵衰老事件中涉及的13個基因突變的魚。
隨著人們對Notho的熱情日益增長，兩個研究小組著手進行其基因組測序：布魯內特在斯坦福大學的實驗室，以及切萊裡諾和合作者在耶拿的萊布尼茨衰老研究所–弗裡茨·利普曼研究所，切萊裡諾曾在那裡工作過一段時間，並且仍然維持著一個合作小組。兩個小組都在2015年12月發表了基因組序列。“這兩篇論文是互補的，”萊布尼茨研究所的分子遺傳學家馬蒂亞斯·普拉澤說，他與切萊裡諾合作。這些團隊的研究人員現在計劃製作一個共識序列。
除了基因組之外，科學家們還在探索在生命週期的不同階段哪些基因被轉錄成RNA並用於蛋白質生產。普拉澤和他的同事們正在研究信使RNA分子——鱂魚轉錄組——以找出答案。為了整理出一個轉錄本目錄，他們對從胚胎期到39周大的不同年齡段的鱂魚全身、大腦和皮膚的RNA進行了測序。
切萊裡諾的團隊使用了類似的技術來追蹤同一條鱂魚的組織在發育過程中發生的變化。透過採集小的鰭片樣本，他們讓魚活得足夠長，以便再次取樣。他們發現，短壽命和長壽命鱂魚的轉錄組在這些魚只有十週大時就有所不同，並鑑定出一種蛋白質，它是壽命的關鍵控制者。
由於鱂魚不是哺乳動物，將魚類基因與人類基因聯絡起來需要一個飛躍。魚類基因通常有人類對應物，但這些對應物可能很難找到。這部分是因為鱂魚的祖先經歷了全基因組複製：在人類DNA中有一個基因複製的地方，鱂魚通常有兩個。但在耶拿會議上，俄勒岡大學尤金分校的遺傳學家約翰·波斯特爾思韋特提供了一個潛在的解決方案。他解釋說，訣竅是使用另一種魚類的中間基因組：斑點雀鱔（Lepisosteus oculatus）。雀鱔的祖先在複製事件之前就與鱂魚的祖先分道揚鑣，因此它的基因組在某些方面更類似於哺乳動物的基因組。科學家們或許能夠在雀鱔中找到鱂魚基因的對應物，並從那裡找到人類的匹配基因。
西雅圖華盛頓大學研究衰老的分子生物學家馬特·凱伯萊因說：“鱂魚的研究顯然非常具有創新性，並且可能成為一個非常有價值的模型。”但他不確定這種魚能有多受歡迎，並指出它的採用將取決於它的操作難度以及鱂魚科學家是否能夠獲得足夠的資金。馬里蘭州貝塞斯達美國國家衰老研究所的專案官員羅恩·科漢斯基說，該機構沒有資助鱂魚研究，但對這種魚感興趣：“鱂魚在多個層面上構成了一個很好的衰老模型，”他說。
藍色拇指
然而，這種非洲魚也有其缺點。首先，它不像斑馬魚等其他魚類那樣容易在實驗室中飼養。“你需要有‘藍色拇指’，”切萊裡諾說。“你至少需要有一個人100%的時間照顧這些魚。”它們也比斑馬魚需要更多的空間，斑馬魚在擁擠的條件下生長良好；鱂魚雄魚有時會打架，可能會互相干擾生長。由於鱂魚發育得如此迅速，它們吃得很多——因此產生大量廢物，導致水質面臨挑戰。“我們開玩笑說，我們不是在養魚，而是在維護生物過濾器，”阿拉巴馬大學伯明翰分校的比較生理學家米基·鮑威爾說。
鱂魚很容易產卵；一對魚每天可以產20-40個卵。但隨後事情變得棘手，因為魚卵需要在相當乾燥的地方發育。科學家們經常將魚卵轉移到泥炭中幾周，但魚卵不會同時孵化，因此需要密切關注。
許多研究人員用血蟲餵養鱂魚，但這種食物的質量隨季節和供應商而異。鮑威爾指出，食物很重要，她正在研究一種標準化的鱂魚食物；例如，飲食會影響表觀遺傳標記，而表觀遺傳標記反過來又會影響壽命。她認為，食物選擇可能解釋了為什麼一些實驗室報告的鱂魚壽命不同。
研究人員還需要更好地瞭解如何保持實驗室種群的健康。2008年，布魯內特的實驗室措手不及，當時幾條魚開始出現奇怪的行為，笨拙地翻滾而不是直線游泳。一位獸醫外科醫生診斷出寄生蟲Glugea，科學家懷疑這種寄生蟲是隨著他們從魚店購買的其他種類的鱂魚一起進入的。“那是最低谷，”布魯內特說。“我們不得不漂白一切，從頭開始。”
科學家們仍然渴望獲得其他模型系統容易獲得的工具。瓦倫扎諾和布魯內特希望獲得用於研究魚類蛋白質的抗體，瓦倫扎諾還夢想擁有更多的品系和一個提供這些品系的種質庫中心。隨著鱂魚研究人員群體的壯大，這些可能會實現。
普拉澤說，這個群體正在擴充套件到研究衰老的人之外。發育生物學家對魚卵經歷的暫停生命或滯育感興趣，進化遺傳學家對鱂魚使用XY染色體性別選擇感到好奇。許多其他魚類使用種群密度、環境溫度或ZW染色體等機制，其中卵子而不是精子決定後代的性別。耶拿會議的聯合組織者、萊布尼茨研究所的克里斯托夫·恩格勒特說，這次會議吸引了對使用鱂魚研究血液形成過程中的表觀遺傳學、毒理學和輪班工人生物學的科學家。
瓦倫扎諾說，Notho研究人員之間的討論已從工具開發轉向生物學。例如，在預印本伺服器bioRxiv上釋出的一項研究中，切萊裡諾和他的同事描述了一種參與控制過量鐵水平的microRNA如何在衰老鱂魚中上調，以保護大腦免受鐵積累。他補充說，人類版本的這種microRNA與阿爾茨海默病有關，阿爾茨海默病是一種已被認為與高鐵水平有關的疾病。
“有趣的部分才剛剛開始，”瓦倫扎諾說。
本文經許可轉載，並於2016年7月20日首次發表。