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深潜 深入分析自闭症的重要主题。188宝金博网址是多少
这是一个轻松、多彩的、混乱的实验室场景,果蝇列队飞行,蠕虫从成堆的泥土中窥视,斑马鱼从烧杯中溢出。
插图的
娜塔莉·纳尔逊

学习蠕虫,苍蝇和鱼类对自闭症的研究

通过/ 2021年9月8日
说明:
娜塔莉·纳尔逊

n在加拿大温哥华西部边缘的一个无窗口的房间,一个研究人员团队在12点字体中的小蠕虫的大小的小蠕虫中进行显微镜。一些蠕虫在一些地方的粘性,果冻状平台上蠕动,在某些地方的咸味比其他地方。其他人忍受振动,因为机器定期点击他们的盘子的两侧。

这种物种的典型蛔虫,科学称为秀丽隐杆线虫,朝盐的方向移动——食物的标志——当它们感觉到回声时,就向后爬行。但这些蛔虫会从盐旁边爬开,似乎对敲在盘子上的声音视而不见。这种奇怪的行为表明蠕虫的变异-在一个名为PTEN-是有害的。“一开始研究,比如说,敲打一个有虫子的盘子,似乎有点滑稽,”他说特洛伊麦克迪米德酒店是一名实验室的前研究生凯瑟琳兰金,在加拿大英国哥伦比亚大学的行为神经科学家。“但最终是一个非常好的读物”角色与自闭症联系的基因在学习和行为中发挥作用。

大多数关于自闭症的动物研究都涉及老鼠。作为哺乳动物,老鼠和人类的亲缘关系相对较近,但是仍有争论关于自闭症鼠标模型的行为是否准确镜像自闭症的人。然而,在过去的20年里,一些自闭症研究人员已经转向更简单的动物,例如蛔虫,果蝇和斑马鱼,以进行调查。2000年,只有一个公开的自闭症研究使用了斑马鱼或蛔虫,四个专注于果蝇。在2020年,这些数字已上升至斑马鱼的29项研究,果蝇30次,果蝇和8种蛔虫8。

那么鱼类或飞行怎么可能孤独的蛔虫,成为涉及语言和复杂认知技能的条件的洞察力?与这些动物合作的自闭症研究人员小心不要过度过度过度。他们的神经系统很小且缺乏复杂的脑结构,并且它们的基因与哺乳动物中的那些不同。然而,细胞功能在动物中具有显着连续性的基本机制,以及许多基因的结构和功能。看似简单的动物也可能显示复杂的行为:苍蝇有社交网络;鱼类与同类同步游动;虫子染上了来自其他蠕虫的化学信号帮助它们找到食物。

这些模式生物的主要价值是实用:它们相对便宜,易于维护,世代时间短,而且易于在基因上进行操作。因此,研究人员可以利用它们进行药物的快速测试,或快速阅读突变的影响,以及进行成本太高、在小鼠身上耗费时间的探索性工作。“你可以做很多美妙的事情秀丽隐杆线虫”兰金说。

这些动物已经帮助联系新的基因与自闭症,理清有害的良性突变,展示了如何多孤独症连锁基因相互作用,以及参与的感觉和社会功能揪出的神经回路。“在简单的救生者上工作是信息管道的重要组成部分,”说詹姆斯兰德他是一名退休的分子生物学家,曾在俄克拉荷马城的俄克拉荷马医学研究基金会工作。

自己的虫子:

R并在20世纪70年代开始使用蛔虫来研究神经系统的发育。在2000年代中期,第一批关于自闭症遗传学的研究发表时,他想起了妻子多年前提到的一些事情,当时他们的两个儿子被诊断出患有自闭症。你为什么不做些有用的事情,比如研究自闭症等等?她质问他。兰德说过他会的,只要他一看到机会。

现在机会来了。这些研究涉及到一个叫做蛋白质的基因家族神经罗基斯,或NLGN,在孤独症中。人类有四个NLGN基因,但蛔虫只有一个。兰德获得了一种该基因突变的蠕虫。然后他应用了他所谓的“标准”秀丽隐杆线虫范例“为了响应各种挑战,探讨突变蠕虫中的效果,记录基因表达,生存和行为。

兰德和他的团队在2010年报告说,NLGN突变的蠕虫有感觉处理异常:它们不会从一种排斥野生型蠕虫的化学物质中爬出来。它们也更容易屈服于环境中的有毒金属和化学物质。评论家们对研究蠕虫是否能对自闭症有所帮助持怀疑态度。兰德回忆道:“让那篇论文被接受是一场严肃的斗争。”但研究结果表明,蛔虫可以用来研究与自闭症相关的基因突变的影响。

随着自闭症基因数据的涓涓细流在接下来的几年里变成了一条河流,快速读取基因功能的需求增加了。“在识别与自闭症密切相关的基因方面,我们已经取得了很大进展,”他说艾伦霍夫曼是耶鲁大学的精神病遗传学家,他们与斑马鱼一起使用。“但能够识别这些基因之间的巨大差距,了解这些基因的破坏实际上导致自闭症的临床表现。”蛔虫,苍蝇和斑马鱼可以弥合那个差距。

有趣的黄色和蓝色插图展示了一位科学家朝着蠕虫的方向摇盐。

技术也发挥了重要作用。Crisp-Cas9基因编辑系统的出现“遗传变异的更精确建模”,“McDiarmid说,现在是博士后的研究员杰伊·桑德华盛顿大学西雅图分校的实验室。研究人员现在可以在动物模型上重现,从而研究在自闭症患者身上看到的确切突变。大约一半的人类基因和70%到80%与自闭症有关的基因在蛔虫中都有相同的版本或同源基因。兰金的团队已经使用该工具在蠕虫中设计了PTEN和其他人类基因的特定版本。(PTEN与蠕虫的DAF18基因如此相似,以至于人类的基因可以替换蠕虫吗对动物没有伤害。)在去年发布的一项研究中,研究人员使用蠕虫来分析了效果19 PTEN变体在自闭症患者身上发现的。

兰金的团队并没有手动记录蠕虫的每次行为,而是使用摄像机记录大群蠕虫的行为,并使用计算机程序分析结果图像。软件称为Multi-Worm追踪使它们能够同时从给定的应变跟踪40到100个蠕虫,捕获超过二十个参数的数据,包括蠕虫的形状,速度和爬行方向。该软件大大加快了该研究,仅在15分钟内吐出了对菌株的分析。“之前,它需要两到三个星期的工作,”Rankin说。

“在简单的生物上工作是信息管道的重要组成部分。”詹姆斯兰德

在2020年的一项研究中,Rankin和她的团队分析了代表135个菌株的27000多条蠕虫,其中98个自闭症相关基因的蠕虫同系物发生了突变赤字的习惯,这是大脑压制对不变刺激的反应的过程。这是一种排除无关输入的方法,也是在许多患有自闭症的人中扰乱了.研究结果表明,许多与自闭症相关的基因具有共同的功能。

在一组类似的实验中,研究人员设计了de novo或自发突变在11个自闭症联系基因的蠕虫版本中看到的自闭症。它们在突变蠕虫中评估了身体形状,大小,运动和繁殖,发现大多数细微的变化,表明突变抑制但不完全消除基因功能。接下来,研究人员计划用同一自闭症人员发现的多种变体设计蠕虫,了解基因的组合可能导致自闭症。“由于他们的快速生成时间,蠕虫在潜在的时期同时制作多种遗传变化非常善于保罗斯特恩贝格他是帕萨迪纳加州理工学院的分子遗传学家。

飞行协会

n 2012,遗传学家Santhosh Girirajan.他在西雅图登上了一架飞机,当时他刚刚完成华盛顿大学的博士后研究。在飞机上,他打开了一本作为离别礼物收到的书:《时间、爱、记忆》(Time, Love, Memory)。这本书讲述的是生物学家西摩·班泽(Seymour Benzer)获得诺贝尔奖后发现果蝇的睡眠和昼夜节律的故事。

到了宾夕法尼亚州宾夕法尼亚州立大学的哥里拉詹登陆,他即将在宾夕法尼亚州立大学占据一席之地,他吞噬了一半的书,是一种果蝇转换。比里拉亚开始思考果蝇的苍蝇,果蝇,可能有助于他对孤独症的基因研究。特别是,他认为,这些研究可能会加速对孤独症发病机制的深入了解复制编号变体(CNVs)——DNA大片段的缺失或复制——导致了这种情况。吉里拉詹放弃了用老鼠做实验的计划,转而建立了一个苍蝇实验室。

因为CNV可能包含二十多个基因,所以要弄清楚不同的基因如何影响孤独症特征是很困难的。在苍蝇身上,可以操纵特定组织(如大脑、眼睛或翅膀)中的基因表达,使Girirajan能够在不杀死苍蝇的情况下测试这些变化的影响。Girirajan已经转向down在苍蝇的眼睛中一次表达两个基因,并使用专门构建的计算机程序Flynotyper跟踪对眼睛发育的影响。该程序通过分析眼睛的图像、计算眼睛各部分之间的距离和角度来检测眼睛结构的破坏。对眼睛的影响可作为眼睛发育的代理Girirajan说,由于许多基因影响这两种基因的发育,所以这些基因对整个神经系统都有影响。

用这种方法分析565对基因显示多基因间的相互作用可能是CNV之间的联系的基础16p11.2以及自闭症等疾病。相比之下,一项关于3q29研究人员对314对基因进行了研究,结果显示有一种基因叫做NCBP2驱动发育效果删除。Girirajan现在正在进行对其他CNV的类似研究,例如15Q11.2,15q13.31q21.1

水果苍蝇也在推进对的理解自闭症中的睡眠问题在今年发表的一项研究中,研究人员跟踪了基因突变的果蝇的睡眠周期CHD8CHD7,与孤独症或孤独症特征相关,使用一个连接到软件的摄像头来记录他们一天的活动。科学家们发现变异果蝇经常醒来,让人想起这些基因突变中的睡眠困难。

通过从特定细胞类型中除去这些基因,研究人员将问题介绍给血脑屏障中的胶质细胞。然后,研究人员通过将果蝇每天在黑暗中度过的时间减少到它们需要睡眠的最低时间来解决这个问题。限制躺在床上的时间是治疗失眠的一种方法,对苍蝇进行类似的干预,使它们的睡眠更少、时间更长,更像典型的苍蝇。首席研究员说:“我们真的希望我们的工作能改变人们对自闭症儿童睡眠问题无能为力的看法。安妮斯·桑切克荷兰奈梅根Radboud大学医学中心。

钓鱼探险:

年代科学家们还研究了另一种自闭症模型的夜间仪式:斑马鱼(鲐鱼类).基因编辑技术使科学家能够创造出带有与自闭症相关突变的斑马鱼,然后他们就可以很容易地评估突变如何影响行为。霍夫曼说:“我们可以将5天大的鱼苗放到一个96孔板的孔中,然后跟踪它们运动活动的不同方面。”该设计提供了高通量和易于复制的细胞培养研究,能够衡量对动物行为的影响。

作为一名博士后研究员,霍夫曼追踪了缺乏自闭症关联基因的5天大的斑马鱼幼虫的行为CNTNAP2发现确实如此极度活跃的夜晚.这种鱼的前脑中抑制神经活动的神经元也比通常的少,复制了在缺乏相同基因的老鼠身上的发现,并增加了这种鱼作为自闭症模型的相关性。

斑马鱼是筛选潜在孤独症药物的有用工具,因为化合物可以直接添加到鱼游动的水中。在2016年发表的CNTNAP2研究中,霍夫曼和她的同事测试了14种药物对幼虫的影响,并表明某些形式的雌激素能改变幼虫过度活跃的行为吗

这些动物很小,相对便宜,因此团队可以使用它们来研究许多自闭症链接基因并行的影响。霍夫曼的团队正在看大脑活动,运动和睡眠唤醒周期斑马鱼的多行在10个自闭症链接基因的鱼当量中的突变,包括CHD8,CNTNAP2,DYRK1AGRIN2BSCN2A.研究人员旨在识别菌株的共同特征,并识别可能对其行为改变的药物。

霍夫曼实验室培育的CNTNAP2斑马鱼将出现在经过验证的斑马鱼模型由西蒙斯基金会孤独症研究倡议(SFAFI)主持。SFari高级科学家SFARI高级科学家表示,是由SFARI资助的一份由SFARI资助的一份由SFARI资助的纺织品研究.SFARI高级科学家布姬塔甘德森

“这只是将你的问题与你的模型系统的优缺点进行匹配的问题。”伊桑•斯科特

斑马鱼幼虫有另一个优点:它们在生命的前几天是透明的。因此,研究人员可以看到幼虫的内脏,包括肠道,使他们能够可视化自闭症突变对肠道功能的影响,这通常被禁止在自闭症中。在幼虫中,研究人员可以观察到肠肌的节奏运动,以及通过消化系统移动的食物。“事情在你面前发挥作用,”茱莉亚Dallman佛罗里达州珊瑚纳米亚州迈阿密大学生物学副教授。

在2019年和2020年出版的研究中,Dallman的团队表明,肠道肌肉合同,食物通过肠道,异常慢慢地在斑马鱼突变SYNGAP1或者Shank3.。在人类中,这些基因的突变与孤独症和胃肠道疾病(包括便秘和胃酸反流)有关。“当我们最初着手研究这些模型中的肠道功能时,我的预期是[改变]会很微妙,”Dallman说。“这一点都不微妙。”她的研究小组的研究表明,两种鱼类肠道问题的机制略有不同,因此自闭症便秘的治疗可能不是一刀切的。Dallman计划测试药物对鱼类肠道功能和行为的影响,以帮助寻找不会恶化便秘的自闭症药物,她说。

斑马鱼幼虫的透明度也展示了早期的大脑发育。利用专门的显微镜,研究人员可以看到单个神经元的活动,而且,由于鱼很小,同时可以跟踪大脑中每个神经元的活动。“你只是在观察一个完整、警觉、行为、感知动物的大脑,”他说伊桑•斯科特他在澳大利亚布里斯班的昆士兰大学研究斑马鱼的感觉处理。

斯科特说,与无脊椎动物模型相比,斑马鱼的大脑结构与人类更相似。虽然这种鱼没有大脑皮层(人脑表面的结构),但它们对研究大脑其他部分的回路很有用。斯科特说:“这只是将你的问题与你的模型系统的优缺点进行匹配的问题。”

斯科特正在使用斑马鱼幼虫与自闭症连接基因的突变,以研究自闭症中感觉加工的改变。他和他的同事正在监测他们的大脑活动,以响应于计算机屏幕上所示的图像,并听起来不同的响度。在2020年的研究中,他的团队表明斑马鱼缺乏FMR1,基因突变脆弱的X综合征,都是对声音非常敏感在大脑的四个区域,它们的神经元对声音的反应比一般鱼类更频繁或更强烈。斯科特说,这项研究可能有助于解释自闭症患者的感觉超敏反应。

社会生物:

D社会行为中的IFFERSEND是自闭症的核心,并且这些行为的根源在整个动物王国中延伸安娜·西蒙是加拿大伦敦西部安大略大学的行为Genetecist。“无论你是一只苍蝇还是人,你需要能够识别你的物种,”她说。“你需要能够足够接近但不太近。”她解释说,动物需要组合一起寻找食物和伴侣,但他们需要空间来避免对资源的冲突。

西蒙建立了一种方法来测试基因对水果苍蝇社会行为的影响。在2015年的研究中,她和她的同事发现这些苍蝇自然地从事“社会疏远”:在三角形的外壳中,他们向上飞行,试图逃脱并最终在三角形的顶点附近搭配群体,但他们保持一个固定空间量它们之间。通过该装置,她可以探讨自闭症关联突变对苍蝇“间距的影响,作为社会功能的标志。2015年和2019年,她的团队报道了与突变脱离果蝇NBEA的等同物Foxp1和Foxp2.与普通苍蝇相比,它们定居的距离更远。男性,要么缺乏或过度表达NLGN3同样地,缺乏NLGN3的雌蝇也会扩散开来。但是过度表达NLGN3的雌性聚集在一起。西蒙说,研究结果表明,这些基因影响社会大脑回路。

在野生环境中,成年斑马鱼以同步或“鱼群”的方式游动,这是一种保护它们免受捕食者伤害的行为。研究人员正在探索与自闭症相关的基因是如何影响鱼群和其他鱼类的亲缘关系的。例如,他们发现斑马鱼没有SHANK3没有多少兴趣在靠近其他鱼;缺乏催产素受体的鱼选择更多独处时间与其他斑马鱼相比,那些缺乏RELN基因的斑马鱼不会选择这样做与不熟悉的鱼互动过度熟悉的鱼类是该物种的典型特征。RELN突变体缺乏神经递质研究人员发现,在他们的后脑中含有血清素,并在水中添加一种药物,可以增强血液循环5 -羟色胺大脑恢复了对陌生人的偏好。

“无论你是一只苍蝇还是人,你都需要能够识别你的物种。”安娜·西蒙

“我最初非常怀疑”使用斑马鱼来研究自闭症基因突变的社会影响,说将诺顿他是英国莱斯特大学(University of Leicester)的行为神经学家,领导了RELN的这项研究。他承认,鱼类社交能力的变化并不一定表明人类也有类似的影响,但鱼类的结果反映了RELN小鼠模型中看到的结果,所以他认为鱼类的社交行为是有意义的。

斑马鱼还有其他有益的社交癖好。如果两条鱼被一个透明的屏障隔开,它们往往会转向面对对方。斑马鱼前脑中释放神经递质乙酰胆碱的某些细胞似乎对这种行为是必要的:当这些细胞在基因上失去功能时,鱼会花更少的时间朝着彼此定向根据2018年的一项研究。在老鼠的前脑中有一个类似的涉及社会行为的细胞群,这样的细胞很可能也存在于人类中,首席研究员说菲利普洗碗营他是俄勒冈大学尤金分校的神经学家。Washbourne说:“所有的生物模型和人类模型都缺少的一件事,就是对涉及社会行为的回路有一个真正好的理解。”他计划研究与自闭症有关的基因突变的鱼的前脑社交细胞和其他细胞的功能。

在这样做时,Washbourne期望面对科学版的政治障碍。询问任何与斑马鱼,苍蝇或蛔虫一起使用的自闭症研究人员,如果他们选择模型生物曾举起眉毛,他们可能会故意笑。大约10年前,Washbourne向美国国家卫生院提交了一份补助申请,他提出了使用斑马鱼来研究神经元结的形式。他记得一个审查员问,“没有人[已经]在其他无脊椎动物中这样做了吗?”(当然,鱼类是脊椎动物。)那些评论回响了在试图发布他的蠕虫工作时遇到的抵抗兰特。

但有些研究人员表示反对者开始衰落。McDiarmid says he has noticed a shift in attitude since he joined Rankin’s lab in 2014. More scientists are becoming attuned to the need for speed in certain situations, and that these alternative models can fill that need: “You can get a fast answer to a discovery question,” McDiarmid says. “And it’s not to replace mice at all; it’s to prioritize [what to focus on]. I think that’s the big concept shift.”

引用本文:https://doi.org/10.53053/QYKX3135