能活200年的魚的“長(zhǎng)壽基因”---平鲉魚

阿留申平鲉（Sebastes aleutianus）生活在美國(guó)加利福尼亞州沿岸的深海中，壽命超過 140 年。圖片來源：Photo courtesy of the Southwest Fisheries Science Center ROV dive team

平鲉出現(xiàn)在環(huán)太平洋地區(qū)的菜單上，但大多數(shù)情況下人們卻很少考究這種魚的起源，也不知道盤子里的是137種平鲉中的哪一種。它通常只是被簡(jiǎn)單地認(rèn)作平鲉，或者被錯(cuò)誤地識(shí)別為巖鱈魚或紅鯛魚。

然而，這種不起眼的無名小魚卻是地球上壽命最長(zhǎng)的脊椎動(dòng)物之一，掌握著有關(guān)決定壽命的基因和長(zhǎng)壽的利弊的基因線索。

在發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上的一項(xiàng)研究中，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校（University of California, Berkeley）的生物學(xué)家對(duì)近三分之二居住在太平洋沿岸水域的已知平鲉物種的基因組進(jìn)行了比較，揭示了讓它們的壽命如此不同的一些基因差異。

有一些平鲉，例如五彩繽紛的多爾氏平鲉（Sebastes dallii），能活十多年。而分布在日本到阿留申群島的阿留申平鲉（Sebastes aleutianus）則最長(zhǎng)壽，可以在沿海深水中的寒冷海床上游蕩200多年。

它們?cè)趦H僅1000萬年的時(shí)間里，就演化出了這么大的壽命差異，更不用提在體型、生活方式和生態(tài)位（科學(xué)家稱之為表現(xiàn)型）上的差異，是所有魚類中輻射速度最快的一種。

為了揭示平鲉生命周期的遺傳決定因素，研究人員從88個(gè)物種中獲取了組織樣本（偶爾也會(huì)品嘗樣本），并使用先進(jìn)的Pacbio測(cè)序技術(shù)對(duì)它們的完整基因組進(jìn)行了測(cè)序。

他們發(fā)現(xiàn)了很多與長(zhǎng)壽相關(guān)的各種基因，盡管其中一些基因涉及適應(yīng)在更深的海里生活和擁有更大的體型，這兩者也都與延長(zhǎng)壽命有關(guān)。例如在哺乳動(dòng)物中大象就比老鼠活得長(zhǎng)。

這一發(fā)現(xiàn)還強(qiáng)調(diào)了有關(guān)長(zhǎng)壽的權(quán)衡問題，包括更小的種群數(shù)量。這在哺乳動(dòng)物中也可以看到，短命的老鼠數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過長(zhǎng)壽的大象。

加州大學(xué)伯克利分校整合生物學(xué)助理教授、研究通訊作者Peter Sudmant說：“在這項(xiàng)研究中，我們確定了適應(yīng)極端壽命的遺傳原因和后果。能夠觀察一組物種，看看它們?nèi)绾坞S著時(shí)間推移，在遺傳學(xué)變化驅(qū)動(dòng)下形成某種表型，同時(shí)這種表型又如何反饋并影響該種群的遺傳多樣性，這非常令人興奮?！?/span>

Sudmant承認(rèn)，他和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的許多與壽命有關(guān)的生物通路，以前在對(duì)單一動(dòng)物物種的遺變異研究中就已經(jīng)確定了，不過這項(xiàng)研究確實(shí)找到了幾個(gè)和這些通路相關(guān)的新的基因。并且，這一魚類屬的自然變異已經(jīng)輻射到整個(gè)太平洋，特別概括了大多數(shù)影響壽命的遺傳因素。

“你可以把平鲉想象成一場(chǎng)完美風(fēng)暴。在某種程度上，不僅是在個(gè)體層面上因?yàn)榇笮『蛯?duì)水深的適應(yīng)讓個(gè)體魚能夠活得很長(zhǎng)時(shí)間，而且所有這些不同的物種都顯示出了這些不同的趨勢(shì)，”他說，“它們是一組完美的觀察對(duì)象，而其他人只觀察了單一的一種物種?！?/span>

這項(xiàng)研究對(duì)理解人類壽命也有意義。Sudman和他的同事們發(fā)現(xiàn)，壽命較長(zhǎng)的物種比壽命較短的物種擁有更多的免疫調(diào)節(jié)基因，特別是一組名為嗜乳脂蛋白（butyrophilins）的基因。由于免疫系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)炎癥，而炎癥的增加與人類衰老有關(guān)，該研究結(jié)果表明一些基因可能是減緩衰老相關(guān)身體損傷的治療靶點(diǎn)。

他說：“我們有機(jī)會(huì)觀察大自然，看看自然適應(yīng)是如何影響壽命的，并思考同樣的基因是如何在我們自己的身體中發(fā)揮作用的?！?/span>

多爾氏平鲉（Sebastes dallii）是平鲉中壽命較短的物種，大約能活12年。圖片來源：Photo by K. Lee.

尺寸和棲息地在很大程度上，解釋了魚類的壽命差異

通過尋找長(zhǎng)壽魚類中更常見的DNA變異，研究人員發(fā)現(xiàn)了137個(gè)與長(zhǎng)壽相關(guān)的基因變異。

然而，并非所有這些都對(duì)壽命有直接影響。研究人員小心翼翼地分離出那些允許平鲉適應(yīng)更深海水并長(zhǎng)得更大的基因變異，因?yàn)檫@些適應(yīng)本身就有延長(zhǎng)壽命的副作用。例如，較深、較冷的水會(huì)減緩新陳代謝，這與許多動(dòng)物的壽命延長(zhǎng)有關(guān)。

Sudman說：“我們可以通過觀察它們成熟時(shí)的大小和生活水深，來解釋其中60%的壽命變化。所以，僅僅從這些因素，你就可以相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壽命。這讓我們能夠識(shí)別出讓它們做這些事情的基因?！?/span>

其余長(zhǎng)壽相關(guān)的變異主要涉及三種類型的基因：豐富的DNA修復(fù)基因；許多調(diào)節(jié)胰島素的基因變異（人們?cè)缇椭酪葝u素會(huì)影響壽命）；以及豐富的調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)的基因。更多的 DNA 修復(fù)基因可以幫助抵御癌癥，而更多的免疫基因則可以幫助抵御感染以及癌癥。

Sudmant說：“在這些魚中，胰島素信號(hào)通路的6個(gè)不同成員正在被選擇。如果你翻看教科書，這條途徑大約有9或10個(gè)核心成員，所以它們中的大多數(shù)都在平鲉中被選擇?！?/span>

Sudman說，從本質(zhì)上講，一些平鲉物種僅僅是通過適應(yīng)生活在更深、更冷的水域和增大體型來延長(zhǎng)壽命。然而，最長(zhǎng)壽的物種通過調(diào)整DNA修復(fù)、胰島素信號(hào)和免疫調(diào)節(jié)基因，進(jìn)一步延長(zhǎng)了自身壽命。

從88種平鲉的基因組中，研究人員還能夠推斷出平鲉祖先的基因組是什么樣的，以及這些物種如何從1000萬年前的共同祖先進(jìn)化而來。他們發(fā)現(xiàn)，隨著壽命的延長(zhǎng)，物種數(shù)量也會(huì)減少。如今，一些壽命最長(zhǎng)的物種以少量的數(shù)量存活下來，它們依賴于非常古老但繁殖能力很強(qiáng)的雌性來補(bǔ)充種群。這些又大又老、肥胖多產(chǎn)的雌性魚（在魚類保護(hù)圈中被稱為BOFFFF）產(chǎn)生了大多數(shù)后代，為下一代提供“種子”；有的魚產(chǎn)生的后代多達(dá)每年數(shù)百萬，但存活率很低。

圖片來源：Pixabay

他說：“在這些平鲉中，我們其實(shí)可以看到這種進(jìn)化在1000萬年的時(shí)間里發(fā)生，我們觀察到當(dāng)一些物種進(jìn)化為短壽命時(shí)，它們的種群規(guī)模會(huì)擴(kuò)大，而當(dāng)它們進(jìn)化為長(zhǎng)壽命時(shí)，它們的種群規(guī)模會(huì)收縮，我們可以在在這些物種存在的遺傳變異基因組中看到這一點(diǎn)。所以，適應(yīng)或長(zhǎng)或短的壽命是有后果的?！?/span>

他說，一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是，長(zhǎng)壽物種有過量的某些DNA突變，已知它們會(huì)隨著年齡增長(zhǎng)在腫瘤中積累，具體來說，核苷酸對(duì)CG（胞嘧啶-鳥嘌呤）轉(zhuǎn)化為TG（胸腺嘧啶-鳥嘌呤）。因?yàn)樵谶@些長(zhǎng)壽物種中，大部分后代都是由最年長(zhǎng)的雌性產(chǎn)生的，所以這些不同尋常的基因改變會(huì)遺傳給該長(zhǎng)壽種群中的其他個(gè)體。

Sudmant和他的實(shí)驗(yàn)室同事目前正在對(duì)蝙蝠、靈長(zhǎng)類動(dòng)物和其他生物的基因組進(jìn)行類似的比較，研究與壽命、衰老、壓力和其他表型差異相關(guān)的基因。但他說平鲉的研究項(xiàng)目很特別。

他說：“在遺傳學(xué)方面，我們經(jīng)常被嘲笑做的實(shí)驗(yàn)是‘釣魚執(zhí)法’。無論從字面上還是比喻上來說，這都是一次釣魚考察。”

翻譯：李靜一

來源：加州大學(xué)伯克利分校

本文來自：中國(guó)數(shù)字科技館