中國科學家發現：世界首例節律紊亂猴模型存在精神疾病

生物鐘與基因密切相關

雄雞報曉，蜘蛛半夜結網，向日葵在清晨開放……自然界所有生物的生命活動都存在節律現象，與地球24小時的自轉周期保持同步對於生物維持健康的生理狀態至關重要。經過長時間的研究，人們發現，其實生物的節律（生物鐘）與基因密切相關，2017年的諾貝爾生理或醫學獎就被獎勵給了三位研究「節律相關基因」的科學家。

現代社會壓力使人類的作息時間很難嚴格遵循於體內的生物鐘。加班、輪班，頻繁地跨越時區，熬夜玩手機等等，越來越多人都面臨著生物鐘紊亂的困擾，因此研究節律對於現代與未來的社會有著非同尋常的意義。

我們都知道經常熬夜，生活不規律的人經常會出現很多精神問題，諸如脾氣暴躁、社交障礙等等，然而傳統上基於小鼠等動物模型的研究很難如實反映這些癥狀。但由於之前上對非人靈長類的基因編輯非常困難，因此對節律在這方面的研究也長期進展緩慢。

為此，中國科學院神經科學研究所的生物節律與衰老疾病研究組和非人靈長類研究平台經過三年努力，利用基因編輯技術（CRISPR/Cas9），成功構建了世界首例核心節律基因BMAL1敲除食蟹猴模型，仔細驗證後發現了敲除猴模型存在晝夜節律紊亂，並表現出類似精神分裂症的癥狀。

該項成果1月24日在線發表在《國家科學評論》上，該研究基於晝行性的非人靈長類動物模型，將生物節律與睡眠問題、精神疾病、免疫炎症反應、早衰等重大疾病聯繫起來，既可為開發這些疾病的治療手段提供穩固可靠的理論基礎，又可將其與臨床相結合尋求對人類更精準有效的干預方法。論文共同通訊作者為中國科學院神經科學研究所張洪鈞研究員、孫強研究員。

圖註：「節律紊亂克隆猴模型」登上《國家科學評論》雜誌封面

晝夜節律（生物鐘）調節人體諸多行為

哺乳動物的生物鐘包括中樞生物鐘和外周組織生物鐘。大腦的生物鐘不僅調控著我們睡眠-覺醒周期，也調節著諸多行為，包括學習、獎賞和神經發生。外周生物鐘受到中樞生物鐘調控，同時也受進食、溫度等因素的影響。衰老、長期熬夜、時差、肥胖或癌症等原因可能會導致外周生物鐘與中樞生物鐘不同步。晝夜節律紊亂與代謝綜合征、自身免疫、神經退行性疾病和癌症等疾病密切相關。

在哺乳動物的大腦中有一個控制生物節律的「起搏器」，它是位於下丘腦的視交叉上核。視交叉上核根據自然界光-暗周期調控生理和活動節律，並能通過激素和神經信號調節外周生物鐘，損毀視交叉上核的動物晝夜節律會完全消失。這個「起搏器」則是通過一系列節律基因調控晝夜節律，這些核心節律基因之一便是BMAL1。

BMAL1蛋白會與另一個蛋白CLOCK形成異二聚體，並與其他節律相關基因結合，啟動這些基因的表達。隨著這些基因的表達產物逐漸增多，它們將進入細胞核中，反過來抑制異二聚體的作用。如此循環，使基因的轉錄水平呈現出24小時的振蕩周期。就是利用類似這樣原理的通路，我們的大腦才能有一個自發的24小時生物周期。

相對於小鼠的晝伏夜出和大腦結構，獼猴更適合作為節律研究模型

大多數節律研究都是以小鼠為模式動物，可以用來深入探究節律的分子機制，但在轉化應用方面，小鼠作為與人類相反的夜行性動物顯然不是特別合適。於是該研究團隊想到了在進化上與人類相近的非人靈長類，獼猴除了具有晝行性這一特性，在腦結構和功能上與人類高度相似，可以用來研究腦疾病和高級認知功能。隨著近年來神經所新開發的縮短猴生殖周期技術的不斷優化，以及體細胞克隆猴的實現，彌補了獼猴繁殖周期長，單胎數量少的不足，可以構建出足夠數目的具有統一遺傳背景的動物模型。

圖註：2018年出生的生物節律紊亂克隆猴模型-五隻克隆猴寶寶

BMAL1敲除猴表現出節律活動異常和睡眠紊亂

其實在2015年底，神經所科研團隊就曾經利用基因編輯技術（CRISPR/Cas9），針對核心節律基因BMAL1進行基因編輯，並在2016年中旬順利出生了八隻小猴。

那麼這些猴子有沒有表現出周期紊亂的癥狀呢？

為此等到半年後小猴斷奶，研究人員就從多個方面開始觀察敲除猴的生物節律。研究人員給猴子們佩戴了「小米手環」，可以隨時監測到它們的晝夜活動情況，發現敲除猴並未按照24小時的周期活動，在夜間活動明顯增多，這說明敲除猴可能出現了失眠的問題。於是研究人員通過手術，在猴子背部皮下埋入記錄腦電和肌電的植入子，分析其睡眠周期發現敲除猴的快速眼動睡眠（REM，淺睡期）和慢波睡眠（NREM，熟睡期）明顯減少。有趣的一點是，BMAL1敲除小鼠的睡眠相比正常對照組是增多的，這也進一步提示了非人靈長類在腦疾病研究上的優勢所在。在另一方面，研究人員通過搜集連續兩天多個時間點的血液樣本，對那些受節律調節的神經內分泌激素水平進行測定，發現幫助進入睡眠的褪黑素在敲除猴中分泌較少。同時還進行了基因表達譜分析，發現敲除猴的大多數節律基因表達異常，還有很多與睡眠剝奪，抑鬱症以及衰老等相關的基因上調。

節律紊亂猴的精神癥狀

當然，之所以如此大費周章構建基因敲除猴，研究者最期望的就是在這些猴身上找到節律紊亂者的精神癥狀，這些才是非人靈長類較之小鼠等實驗動物的真正優勢。

節律紊亂往往伴隨著神經退行性疾病的發生，神經退行性疾病患者往往會遭受各種各樣的睡眠問題，包括失眠、睡眠中斷、日間過度嗜睡，繼而出現睡夢中運動，白天與人交流出現障礙等等。但在之前，人們一直不太清楚這些究竟是睡眠紊亂的直接後果，還是長期失眠或服藥的副作用。

從本次的研究可以看到，猴子表現出怕人，避免與人對視等等精神問題，而這些癥狀是以前在小鼠身上很難探測到的。

此外，有很多研究表明節律紊亂或睡眠障礙還是一些精神疾病，如雙相情感障礙，抑鬱症，自閉症譜系障礙的早期癥狀。但是之前我們很難認定一隻小鼠有抑鬱或是雙相情感障礙之類的問題，而這在靈長類身上就很明顯了。研究人員在血液檢測中發現與壓力應激相關的皮質醇在敲除猴的血液中一直處於高水平，這讓他們聯想到敲除猴在與人接觸時極度緊張的反應。當有人靠近敲除猴時，它會雙手抱住頭部，蜷縮在角落裡，不敢活動。如果將敲除猴放入一個新環境中，它也不能很快地適應，不敢像正常猴那樣在環境中自由探索。

圖註：節律紊亂克隆猴模型表現出精神疾病

此外研究人員給猴子們做了一個經典的聽覺刺激實驗，在給出的一連串規律的聲音中隨機插入特殊的聲音，記錄猴子聽到聲音時的腦電，發現敲除猴大腦在識別和反應這些特殊事件的能力上不如正常猴，這與精神分裂患者的情況類似。

非人靈長類的節律紊亂模型有望給節律研究帶來新的突破，我們在非人靈長類模型製備技術上的領先將轉化為整體基礎科研，尤其是神經科學研究走向世界前列的歷史機遇。

文章共同第一作者為中國科學院神經科學研究所的研究實習員仇佩緣、姜建博士和劉真研究員。中國科學院上海營養與健康研究院研究所的黃濤和唐芸棋研究員也參與了該工作。研究工作得到了中國科學院戰略性先導科技專項「腦認知與類腦前沿研究」， 上海市市級科技重大專項「全腦神經聯接圖譜與克隆猴模型計劃」，及上海市定向徵集項目「腦神經聯接圖譜研究」的支持。

作者 | 仇佩緣 唐騁 中國科學院神經科學研究所

編輯 | 高佩雯 騰訊科學

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