科学家近亲交配狗狗治疗人类铜中毒,这是啥操作?

2018-08-03 08:40 网易科学人

  出品|网易科学人栏目组 卡麦拉

  目前,科学家通过对狗进行实验研究,有助于揭晓为什么人体内铜元素含量对多种疾病具有重要影响。最新研究表明,近亲繁殖犬能够揭晓人体铜元素过量疾病形成之谜。

  虽然狗的口水看上去很恶心,但是事实证明狗对主人亲吻行为提供了宝贵的基因证据,可以帮助科学家确定和治疗狗和人类的一些疾病。

  “铜元素过量将导致中毒,一种叫做ATP7A的蛋白质作为铜元素运输机。”

  人类和狗的身体,以及所有动物的身体实际上都需要铜元素。这是因为许多蛋白质需要铜元素才能正常运行,铜这种金属具有许多重要作用,其中包括帮助身体吸收铁,促进神经元通信,保护细胞不受氧“自由基”高度反应的侵害。但是人体实际上并不需要太多的铜,过量的铜元素可能是危险的,我们的身体的确需要少量铜元素,并且进行细致调控,同样的高度反应属性,将使其有助于促进我们希望的良性化学反应,但同时铜元素也会增强我们不希望的恶性化学反应。为了维持我们需要的微妙平衡,我们人体已将调控铜元素逐渐发展纳入科学领域。

  我们一直主张从食物中摄取铜元素,其中包括所有谷类食物、豆类、贝壳类、深色绿叶蔬菜等。为了人体更有效使用铜元素,首先铜元素要进入血流,当铜元素进入肠细胞,在肠细胞中一种叫做ATP7A的蛋白质作为铜元素“运输机”,抽取该蛋白质进入血液。之后血液进入肝脏“排毒”,在这里是非常危险的,例如:如果存在过量铜元素,它将被移除或者中和。当铜元素含量太高时,肝细胞(hepatocytes)中的ATP7B蛋白质将从肝脏中抽取铜元素进入胆管,最终将过剩铜元素形成粪便排出体外。

  ATP7A和ATP7B蛋白质的铜元素“运输方式”看上去有相似之处,工作原理也非常接近,但是由于这两种方式在不同的位置进行表达,其功能也存在差异,如果它们不发挥作用,其后果也将不同。ATP7A蛋白质突变将导致一种致命性缺铜疾病——“门克斯病(Menkes disease)”,门克斯病患者体内肠细胞吸收铜元素,但是它们不会将铜元素泵出,因此它们就一直处于超负荷工作。如果没有这些肠细胞,人们就无法从食物中吸收铜元素,并无法将铜元素运送至需要它的所有身体部位。因此这些肠细胞开始出现故障,导致头发卷曲稀疏,身体发育迟缓,逐渐出现严重的神经问题,最终死亡。

  “近亲交配存在许多问题,但是纯种狗的悠久历史使它们成为研究工作优秀的DNA资源。”

  相反地,ATP7B蛋白质突变导致“威尔逊氏病(Wilson’s disease)”,由于该患者群体的ATP7A蛋白质是完整的,他们能够吸收铜元素进入血液之中,但是他们的肝细胞不能消除过量铜元素,因此开始逐渐累积,最终导致肝脏问题。此外,尽管科学家并不完全确定为什么会这样,但铜元素经常会在眼睛部位积聚,导致角膜周围形成金黄色环结构,这种环结构被称为“凯塞-弗雷谢尔环(Kayser-Fleicsher rings)”,同时,患者将引发大脑神经症状和心理症状。

  虽然科学家知道导致威尔逊氏病的具体原因,一些患者也有类似的症状,但是没有出现已知蛋白质突变(一种称为特发性铜中毒的疾病)。此外,即使对于已突变患者群体,发病年龄和症状严重程度也有很大差异。例如:一些威尔逊氏病患者仅出现肝脏问题,然而其他患者也出现神经症状。其中一些差异可以归因于突变发生在蛋白质的具体位置——当前已知威尔逊氏病患者出现近300个蛋白质突变,这种显著突变可能以不同方式改变蛋白质功能,但是大多数变异仍未被解释。

  为什么相同的基因疾病在不同人群会呈现不同的症状呢?专家分析很大程度是由于环境因素造成的,例如:我们吃什么食物、每天锻炼什么、每天接触什么等。但是除了环境改良之外,疾病严重性也会受到基因改良的影响,本质上,其它基因差异可以保护我们免遭疾病的影响,或者使症状变得更加严重。这种多样性会使我们很难识别致病基因,尤其是少数人患有的罕见性疾病和多种症状疾病。

  因此,当科学家希望找到遗传疾病的根源时,他们通常会进行一项实验——“全基因组关联研究(GWAS)”,在这个实验中,研究人员从大量测试者身体提取DNA样本,一些测试者患有疾病,另一些测试者没有疾病。传统基因测序费用太昂贵,计算量太大,他们必须读出基因组中的每个碱基。相反,对于每一个样本,科学家在已知经常变化的位置检查基因序列,这些“单核苷酸多态性(SNPs)”本身并不存在突变(尽管所有的基因变异都是从突变开始的),而是很自然的变异,类似于人类头发颜色的差异。

  单核苷酸多态性,主要是指在基因组水平上由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性。它是人类可遗传的变异中最常见的一种,占所有已知多态性的90%以上。单核苷酸多态性在人类基因组中广泛存在,平均每500-1000个碱基对中就有1个,估计其总数可达300万个甚至更多。

  科学家通常会从基因组中排序数万个单核苷酸多态性,将染色体分成不同的片段。之后他们对比患病和未患病人群,两个群体中大多数基因组并没有任何关联,但是有一个致病基因环绕周围,这两个群体的基因组存在较大差异,因为这个致病基因(以及其附近具有遗传性的DNA)是不同的。

  “全基因组关联研究”的精准度有限,因为科学家识别的最初区域——连锁不平衡区(linkage disequilibrium)或者“LD区”——相当地大。一般而言,连锁不平衡区的大小取决于单核苷酸多态性彼此间隔多大,以及涉及到多少连续单核苷酸多态性,这意味着连锁不平衡区经常包含多样化基因。一旦科学家确定一个较大的区域,患病人群该区域的DNA将与健康人群存在差异,他们需要更深入的研究分析和“精确定位绘制”,从而观察可能涉及到的基因(有时是多基因)。取决于连锁不平衡区的大小,研究人员可能对整个区域进行基因排序,或者仅对他们认为重要的部分进行排序,这次是对每核苷酸进行分析。

  这一过程有助于研究人员识别“候选基因”或者导致疾病的潜在功能障碍基因,但实际上并不能保证它们存在直接联系。例如:除了继承一种疾病之外,人们可能还会遗传获得许多其它物质,它们可能看起来与基因相似,但与疾病本身没有任何关系,这是一个叫做“群体分层”的问题。

  “近亲繁殖可以减少背景遗传变异,有助于发现基因缺陷区域。”

  为了在实验室解决这个问题,科学家经常会进行“回交繁殖(backcrosses)”实验,或者在动物或者植物种群中进行近亲繁殖,从而减少背景遗传变异——你可以把这个看作是“遗传噪音”,当其它区域可变性减少,因果区域就会变得更加突出明确。

  很显然我们不能对人类进行“近亲繁殖”,这将违背人类伦理道德,幸好我们可以使用狗进行近亲繁殖实验。近亲繁殖会出现许多问题——基因多样性对于物种适应和预防隐性疾病都是非常重要的,这项实验需要两个有缺陷的基因副本,纯种狗近亲繁殖的悠久历史使它们成为研究的极好DNA资源。相同品种的狗的整体遗传变异概率较低,这意味着在实验中能够容易地发现它们的缺陷区域,以及较大的连锁不平衡区,从而使科学家不必进行更多的单核苷酸多态性测序。

  2005年首次进行基因测序的实验狗是一条拳师犬,从那之后,科学家研发出新的工具来简化犬科动物DNA的分析和比较。这一结果解决了许多进化谜团,例如:体形、导致各种遗传疾病原因的复杂特征遗传性,考虑到这些有希望的研究结果,研究人员想知道是否狗实验有助于理解人类体内铜元素储存疾病的重要线索。

  研究人员早就知道狗患有一种类似的铜元素储存疾病。2000年初,研究人员发现一种特殊品种——贝得灵顿厚毛犬,这是由于COMMD1基因缺失导致过量铜元素紊乱,实际上这项研究导致一个全新蛋白质家族的发现。但是大多数威尔逊氏病人类患者存在ATP7B蛋白质突变,因此包括荷兰乌得勒支大学和美国密苏里大学在内的几所大学的科学家决定合作,研究不同犬种类似疾病是否有不同的遗传原因,希望发现一种更匹配人类疾病的动物模型,最终,他们将实验目光转移转向拉布拉多猎犬。

  研究人员收集了接近300只拉布拉多猎犬的DNA数据,寻找健康犬和铜中毒犬之间的DNA差异。他们发现连锁不平衡区包含着ATP7A?和?ATP7B蛋白质突变,当他们对这些区域进行测序时,发现铜中毒拉布拉多猎犬存在ATP7B蛋白质突变,但是如果它们也存在ATP7A蛋白质突变,其症状通往并不严重。

  一旦他们识别出这些突变,科学家需要证实这些蛋白质突变是如何处理铜元素的,接下来,他们在细胞中表达了这些突变蛋白质,并研究了突变蛋白质如何影响蛋白质运输铜的能力,以及运输铜穿过细胞。结果表明,ATP7B突变导致铜在细胞中积累,就像人类威尔逊氏病患者。但是ATP7A突变导致铜在类似肠上皮细胞的细胞中累积,因此,研究人员认为这两种蛋白质突变的拉布拉多猎犬,进入肝脏的铜元素总数量减少,避免了铜元素超载,从而减轻了疾病严重程度。

  对于人类而言,ATP7A突变数量增加也有可能增强其保护作用,有助于解释一些严重疾病的可变性。之前一些小型研究并未发现任何ATP7A突变影响威尔逊氏病患者病情发展,但是很明显需要进行更多的研究。

  “肝脏积累大量铜元素,可能导致肝硬化。”

  研究表明,体内铜元素过多的拉布拉多犬和人类存在许多共同点,除了相同基因发生突变,还将出现相同症状——肝脏积累大量铜元素,这可能导致肝硬化。但是铜元素积累也存在着差异,在人类患者中,铜元素不仅在肝脏中积累,还会在眼睛和大脑中积累。

  另一个潜在重要区别是饮食可以发挥重要作用,对于拉布拉多猎犬,低铜、低锌食物有时可使宠物狗消除对螯合疗法的需要,螯合疗法是一种医学治疗方法,可以从身体中去除重金属。对于威尔逊氏病患者,改变饮食习惯对于消除体内铜元素并没有太大帮助,但是它可以帮助与体内铜储存相关的患者。很可能拉布拉多犬体内存在更多铜元素处理过程中的基因修改,这可能有助于我们识别人类更多致病因素和基因更改,这将潜在形成更有效的治疗方案。

  对狗进行实验研究,将有助于铜元素失调症患者(人类和犬类变种),他们(它们)似乎没有已知的蛋白质突变。很可能在狗的品种中,科学家还没有进行全面检查,研究人员可以识别更多的致病突变和基因修改因子。即使是我们已研究过的犬类品种,仍有许多未解之谜。例如:虽然COMMD1基因缺失可以解释大多数贝得灵顿厚毛犬的铜中毒病例,但是出现该病症的一些贝得灵顿厚毛犬却没有出现COMMD1基因缺失,这意味着它们的病因可能涉及到其它因素。

  除了帮助我们发现可能导致人类疾病的基因,狗还可以作为一种“模型生物体”,帮助解释特定基因如何导致疾病,以及为人类和动物研发一种有效治疗方案。在进化时间尺度上,人类与老鼠的关系比狗更密切,但是老鼠的寿命更短,繁殖速度也更快,它们的基因进化速度也更快,因此它们的基因实际上与我们的基因组相比,不如狗的基因组更加相似。由于狗的体型较大,寿命更长,所处的生活环境与人类相似,所以它们的疾病发展进程和治疗反应往往更符合人类。

  这并不是一条单行线:通过更好地掌握这些疾病的相似之处,对狗的治疗也可能得到改善。即使潜在不同的原因,症状相似的疾病通常对相似的治疗有反应。由于人类和狗的铜储存疾病有着相似之处,他们通常接受相同的治疗——“铜螯合疗法(copper chelation)”,通常是服用D-青霉胺。螯合疗法源自“爪子”一词,因为这些药物会吸附到像铜这样的金属上,导致它们通过尿液排泄出来。但是患者服用的D-青霉胺是一种刺激性很强的药物,可能具有严重的副作用,包括神经症状恶化。

  很多研究都是为了寻找更好的人类患者治疗方案,但是部分原因在于这些新药针对的是神经系统症状并不明显,研究人员未对狗进行过多的测试。目前,一种叫做四硫代钼酸铵(TTM)的药物,人类已服用多年时间,现用于对狗的实验。美国密歇根州立大学一组研究人员进行了临床研究,结果表明四硫代钼酸铵对狗服用是安全的,同时,他们近期完成一项临床试验(结果尚未公布)。

  这仅是“一种健康”方法的实例,该方法鼓励兽医和生物医学研究之间的协作和交流,强调人类、其它动物的健康与我们共同环境之间的互通联系。毕竟所有动物都会生病,通常研究这些疾病的相似性和不同之处,我们可以改善对每个人的医学治疗。

责编:李文瑶
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