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精心培育的柠檬霜壁虎,患上了皮肤癌……

带着皮肤肿瘤的柠檬霜 | credit: Longhua Guo, Steve Sykes
 
编者按
 
科学的发现很多时候源起于偶然和意外。本文讲述了一位遗传学家和一位宠物 “贩子” 相遇后得出意外新发现的故事,遗传学家完成了实验室的课题,宠物 “贩子” 也搞清楚了自己心中的疑问。
 
撰文 | 王雨丹
 
责编 | 陈晓雪
 
壁虎和人体皮肤癌之间,有什么关系?
 
6月24日,一篇发表于 PLOS Genetics 的论文指出,与人体黑色素瘤密切相关的基因SPINT1,在壁虎体内突变后也能让其患上皮肤癌,这一发现为研究人体皮肤癌提供了一种新的模型动物。
 
论文的第一作者郭龙华(Longhua Guo)是加州大学洛杉矶分校(UCLA)做遗传学的博后,而论文的实验样本,正是一群色彩明丽的可爱壁虎。
 
对于这一发现,郭龙华表示,“一切都是一个意外”。
 
“薄命” 柠檬霜
 
故事要从一位名叫史蒂夫·赛克斯(Steve Sykes)的壁虎 “贩子” 说起。
 
史蒂夫可不是那种走街串巷叫卖壁虎的小商贩,事实上,他是全美最大的壁虎繁育者,有自己的公司和团队,从事壁虎繁育工作已20余年。从最初的兴趣爱好开始,他将繁育壁虎发展成一个可以养家糊口,并且提供十多个工作岗位的事业。
 
豹纹守宫(Eublepharis macularius)原产于中东和南亚,是一种性格温顺、色彩奇特的壁虎品种,近年来越来越受到宠物爱好者(尤其是青少年)的喜爱,现今市面上贩售的几乎都是人工繁育而不是野生捕捉的个体 [1]。
 
根据皮肤颜色和花纹的不同,豹纹守宫分为很多品种,史蒂夫最喜欢的一个品种,有着黄白相间的皮肤和黑色的斑点,它有一个好听的名字:柠檬霜(Lemon Frost)。
体色、花纹各异的豹纹守宫,A为野生型的豹纹守宫 | credit: Longhua Guo, Steve Sykes
 
史蒂夫第一次见到柠檬霜,是在2015年的一场拍卖会上。
普通豹纹守宫的柠檬霜突变体,A为野生型,B为野生型背景下的柠檬霜;D为暴风雪(豹纹守宫的一个品种),E是暴风雪背景下的柠檬霜 | 图源[2]
 
2012 年,佛罗里达的一家壁虎公司第一次繁育出漂亮的柠檬霜,2015年,他们选了一公一母两只柠檬霜壁虎进行拍卖——小霜霜先生和霜女士(Mr. and Ms. Frosty)。史蒂夫一眼就相中了这两只漂亮的小家伙,为此一掷千金,用每只1万美元的价格将它们买了下来。
 
随后,史蒂夫利用小霜霜和其他雌性豹纹守宫杂交,培育出了许多新的柠檬霜。这些黄黄软软的小动物深得史蒂夫的喜爱,他将它们细心地呵护起来。
 
但很快,他发现事情不对劲:
 
许多柠檬霜的皮肤长出了白色的肿瘤,其中一些个体的肿瘤越长越大,使它们行动困难,甚至肿瘤破裂造成感染。
 
看着精心培育的壁虎一批批患上皮肤肿瘤,史蒂夫开始慌了,他很想搞清楚,到底是什么原因使得这些柠檬霜遭此横祸?柠檬霜的肿瘤和它迷人的颜色之间有无关系?
 
无巧不成书。就在这个时候,他收到了一个神秘人发来的邮件,发件人希望他提供数量足够多的壁虎,以此来支撑他们的科学研究。
 
发这封邮件的人,正是郭龙华。
 
正为柠檬霜患皮肤肿瘤而一筹莫展的史蒂夫,收到邮件后欣然应允,他表示,自己不但可以为郭的科学研究提供壁虎样本,而且不收费!但他有一个条件:希望郭及所在的团队能帮忙研究一下,他的这些宝贝柠檬霜到底是怎么回事。
 
500万美金的遗传样本
 
日历翻回到2017年,彼时的郭龙华正在UCLA做遗传学博后,他的导师莱昂尼德·克鲁格利亚克(Leonid Kruglyak)是霍华德休斯医学研究所研究员、加州大学洛杉矶分校遗传学家。郭龙华本人也是个壁虎爱好者,他对豹纹守宫很感兴趣,一开始他想做点 “有趣的东西”,比如:豹纹守宫皮肤颜色和图案背后的遗传学原理。
 
要做研究,得有足够的样本,郭龙华开始在网上寻找能提供大量豹纹守宫的人或单位。他搜索了十几个做壁虎繁育的人,然后挨个给这些人打电话、发邮件。表明来意后,有三个人给了他回复,表示愿意提供壁虎支持他做研究,但其中两个人都不让他从壁虎身上提取DNA。
 
不让提取DNA,那还怎么研究遗传学的东西?
 
好在还有一个人,回复邮件十分热情,表示愿意提供帮助,且允许郭和团队从壁虎身上提取DNA,这个人就是史蒂夫。
 
回想起当时的故事,郭龙华很是感慨。在他眼中,史蒂夫不只是一个繁育和售卖壁虎的商人,更是一个对科学充满热情的研究者。
 
收到邮件回复后,郭龙华十分惊喜,他马上给史蒂夫打了电话。在电话中,史蒂夫说起了自己的宝贝柠檬霜,希望郭能帮忙研究一下柠檬霜的肿瘤问题。
 
两个多小时的交流之后,郭龙华决定:就如史蒂夫所说,进行柠檬霜皮肤肿瘤背后的遗传学研究。
2017年9月,郭龙华给史蒂夫发的第一封邮件 | 图源受访者提供
 
史蒂夫为郭龙华的团队提供了500只珍贵的柠檬霜,这是一份大量的遗传学样本。要知道,人工繁育的壁虎并不便宜,花色好看的一只能卖上千美元,若按当时史蒂夫买小霜霜的价格算,这份 “礼物” 价值500万美元!
 
此外,在研究过程中,史蒂夫还向郭龙华分享了他这20年来繁育不同壁虎的所有记录和遗传学内容。
 
万事俱备,郭龙华和团队开始了对柠檬霜的观察和研究。
 
找到了!是SPINT1
 
“寻找一个表型背后的遗传突变,是一个很磨人的过程。”
 
在郭龙华看来,团队关于壁虎的研究虽然复杂,但背后的意义却是重大的——不仅能帮助史蒂夫解决柠檬霜的致病原因,还可能对鉴定人类遗传疾病的突变产生借鉴意义。
 
不同于实验室常见的果蝇、线虫等模型动物,壁虎并不能在几天或者几周的时间里产生上百个后代,它们的家系结构和人类社会有更多的相似之处。基因组和人类也是差不多大,所以获得遗传信息的方法学也可以相互借鉴。
 
一开始,郭龙华肯定了柠檬霜皮肤出现白色肿瘤的现象是基因突变。根据史蒂夫提供的繁育所得的遗传学相关数据,他认为这应该是一个单一突变。“这是一个新的、自然发生的突变。来自于一个受精事件,刚发生几年的时间,且符合孟德尔的遗传学规律,所以我们觉得不会是多个突变。”
 
郭龙华的研究团队人不多,主要成员除了他和导师莱昂尼德,还有一位统计学家、两名本科生和两位兽医学教授。
 
研究团队切下柠檬霜的尾巴,或用棉签擦拭其脸颊内侧,获取了DNA样本后,开始进行基因组测序。
 
为了能够用少量的经费获得大量样品的遗传信息,他们使用限制性位点相关DNA测序技术(RAD-Seq)对188只柠檬霜进行了基因测序分析,包括33只超级柠檬霜(纯合子柠檬霜的杂交后代,具有突出的颜色表型和增厚的皮肤)、116只普通柠檬霜和39只野生型柠檬霜个体。他们共鉴定了14857个SNPs(即单核苷酸多态性,广泛存在于基因组中,由单个核苷酸的变异所引起的DNA序列多态性)。这一万多个位点,就像路牌一样标记着整个基因组序列,方便后续的分析。
 
随后,团队对这些 “路牌” 进行了全基因组关联分析(Genome-wide association studies, GWAS)——这是鉴定人类遗传疾病的常用方法,能全基因组范围内找出存在的序列变异,通过统计学分析筛选出与疾病相关的单核苷酸突变位点。
 
在分析完柠檬霜的基因组之后,郭龙华团队大概找出了几十个可能跟柠檬霜突变体中白色斑点和肿瘤生长相关的基因位点。他们随后分析了染色体进化的信息,发现这些位点大部分都在染色体的同一个区域。
 
为了找出更为关键的位点,他们把更多的样本按照表型分类后(超级柠檬霜、普通柠檬霜和野生型),把每一类样本的DNA混合在一起进行了全基因组测序。这可以帮助他们检测在已鉴定区域内可能遗漏的突变,和分析突变的分布频率。最后他们终于找出了柠檬霜患病的罪魁祸首:一个名为SPINT1 的基因突变。这个基因同时控制柠檬霜的皮肤颜色和肿瘤,与郭龙华和导师最初的猜想是一致的。
柠檬霜突变体的肿瘤生长和转移。A:从左到右分别为野生型柠檬霜(+/+)、普通柠檬霜(lf/+)和超级柠檬霜(lf/lf);B:发生突变的柠檬霜个体的腹侧皮肤肿瘤;C:厚层白色肿瘤细胞 ( lf / lf ) 与正常白细胞 (+/+);D:柠檬霜突变个体中肝脏和口腔中的白色肿瘤细胞 | 图源[2]
 
具体来说,突变的SPINT1 基因可能引起了壁虎皮肤中虹膜细胞(iridophores)的过度增殖。这些细胞是白色的,当皮肤中的白色背景变得厚重,柠檬霜的柠檬色就会显得鲜艳明亮,但皮肤肿瘤也会随之而来了。
白色细胞增多的柠檬霜 | credit: Longhua Guo, Steve Sykes
 
在这里要解释一下虹膜细胞的概念。在生物体内,产色细胞(Color-producing cells)形成生物体的颜色和图案:如黑色素细胞(melanocytes)会以化学方式产生色素,虹膜细胞(iridophores)则通过制造晶体产生结构性颜色。虹膜细胞广泛存在于昆虫、鱼类、鸟类、两栖动物和爬行动物中,不同类型的虹膜细胞会产生不同的颜色。变色龙和章鱼的伪装色就来自于其对虹膜细胞的调控。
 
新的疾病模型
 
SPINT1 基因此前已经被证实与人类的皮肤癌有关,是一个与人类皮肤黑色素瘤有关的肿瘤抑制基因。虽然良性黑色素瘤可以在早期发现后通过手术切除治愈,但就目前而言,恶性黑色素癌的5年存活率只有15-20%。
 
郭龙华告诉《知识分子》,在此之前,虽然小鼠既是哺乳动物,也是常见的模型动物,但它并没有很好地复制人体黑色素瘤的表型:SPINT1 这个基因可以在小鼠中抑制肿瘤的发生,但是皮肤的表型并不是黑色素瘤。而且如果不是在成体中诱导突变,SPINT1 的缺失会导致小鼠胚胎的死亡。在斑马鱼中的突变会引起皮肤细胞的增殖,但也不是产色细胞瘤。用于研究人体黑色素瘤的斑马鱼SPINT1 基因突变模型需要额外引入HRAS突变或者移植黑色素瘤细胞。
 
而关于柠檬霜壁虎的新发现,则为人体黑色素瘤的研究增加了新的模型动物,未来可能会开辟一条人体黑色素瘤新的研究道路。
 
“虽然柠檬霜的表型是在虹膜细胞,但是虹膜细胞和黑色素细胞等产色细胞都来自同一群胚胎细胞。斑马鱼中的研究表明虹膜细胞和小鼠黑色素细胞的很多调控基因都是一致的。” 郭龙华说。
 
此外,作为鸟类和哺乳类动物的近亲,壁虎、蛇等有鳞类动物(squamates)在许多重要的生物学特性上表现出广泛的变异,包括肤色、分泌毒液和再生等,由于缺乏基因组工具,研究人员们很少对有鳞类动物进行遗传学研究。虽然许多人在很多年前就做了爬行动物某一表型背后遗传规律的追踪工作,但是没有人能够鉴定出某一特定表型背后的遗传学调控的基因。郭龙华表示,“我们的工作将爬行动物带入了现代遗传学的时代。”
 
从2017年开始,郭龙华和团队用了一年多的时间来收集柠檬霜的DNA样本,用一年多的时间进行基因测序和分析,最后用了一年多时间整理成文。
 
郭龙华说,柠檬霜的故事虽是 “一个意外”,内容也很有趣,但还是需要投入大量的时间和精力才能看到产出,他很开心这个曾经的 side project(副课题)能够成功完成。
 
柠檬霜和SPINT1 基因的研究已经暂告一段落了。如今,郭龙华和团队已经开始了壁虎其他几个表型的新研究,他也在期盼着能够建立自己独立的实验室,未来会继续致力于用遗传学和基因组学研究有趣的科学问题—— “遗传学的好处是你可以研究任何你喜欢的生物学问题,得到有时令人完全意外的发现。”
 
而壁虎 “贩子” 史蒂夫,在研究结束之后,对其他所有发生SPINT1 基因突变的柠檬霜都实现了安乐死,并决定在科学研究彻底解决这一问题之前,不再繁育新的柠檬霜,不再因人类的欲望而让它们承受基因突变带来的痛苦。
参考资料:
 
1.https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%B1%B9%E7%B4%8B%E5%A3%81%E8%99%8E
 
2.https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1009580
 



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