生物节律紊乱基因编辑猕猴克隆成功

对于生物节律的研究，一直以来都是生物学的重要领域。2017年，诺贝尔生理或医学奖就被授予了三位研究生物节律相关基因的科学家。如今，一项最新的生物节律研究成果在上海诞生。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心（神经科学研究所）、上海脑科学与类脑研究中心研究团队，在中国科学院战略性先导科技专项（B类）“脑认知与类脑前沿研究”和上海市市级科技重大专项“全脑神经联接图谱与克隆猴模型计划”的支持下，首次利用基因编辑技术，敲除了一个生物节律核心基因，产生了一批生物节律紊乱的基因编辑猴。随后，研究团队通过体细胞克隆技术，获得了5只遗传背景一致的生物节律紊乱克隆猴。

1月24日，该成果在我国顶级综合英文期刊《国家科学评论》在线发表2篇系列论文。

猕猴很合适做生物节律研究

生物节律是生物体内在的一套时间控制系统，而昼夜节律无疑是其中最为重要的一种。对于包括人类在内的哺乳动物而言，大脑和外周组织细胞中的“分子时钟”，不仅控制着睡眠-觉醒的周期，也与机体内多种生理功能和生化反应有着密不可分的关系。比如，白天清醒的时候，肌肉会吸收脂肪酸，肝脏会进行肝糖和胆固醇合成，胰脏会释放胰岛素；晚上睡觉的时候，肌肉会进行氧化代谢，肝脏会新生线粒体，胰脏会释放升糖素。

有时候，来自外界的环境变化，诸如光照、温度、进食等，也会对生物节律产生影响。长时间的熬夜、时差、衰老、肥胖或是癌症，可能导致外周生物钟与中枢生物钟不同步。一旦生物节律紊乱，睡眠障碍、阿尔茨海默病、抑郁症、糖尿病、肿瘤，以及心血管等疾病，就会“如影随形”。

对于生物节律的研究，大多数以小鼠为模式生物。然而，小鼠是与人类昼夜节律相反的夜行性动物，两者的生物代谢速率也存在显著不同。想要以小鼠为基础，研发治疗生物节律紊乱的药物，显然难度巨大。“我们想到了在进化上与人类高度相近的非人灵长类动物，比如猕猴。”中科院神经科学研究所生物节律与衰老疾病研究组组长张洪钧研究员表示，猕猴除了具有昼行性这一特性，在脑结构和功能上也与人类高度相似，可以用来研究脑疾病和高级认知功能。得益于神经所强大的非人灵长类研究平台，以猕猴为基础的生物节律研究开始启动。

研究团队将目光瞄准了生物节律核心基因——BMAL1。从2015年底开始，研究人员尝试用基因编辑技术，敲除体外受精的猕猴胚胎中的BMAL1基因。到2016年中旬，一共顺利出生了5只BMAL1基因编辑猴。

展现出类似人类的精神问题

对于猕猴生物节律的研究是从其出生半年断奶后开始的，猕猴们被带上了电子手环以记录它们的行为。监控显示，基因敲除猕猴没有按照24小时的周期活动，在夜间活动明显增多，存在失眠问题，睡眠时间明显减少。研究人员通过搜集连续两天多个时间点的血液样本，对那些受节律调节的神经内分泌激素水平进行测定，发现帮助进入睡眠的褪黑素在敲除猴中分泌较少。同时还进行了基因表达谱分析，发现敲除猴的大多数节律基因表达异常，还有很多与睡眠剥夺，抑郁症以及衰老等相关的基因上调。

在实验室里，刚刚换到新家的生物节律基因编辑猕猴显得无精打采，蜷缩在一个角落不愿意动弹，一旦听到有什么风吹草动，只会惊恐地双手抱头，似乎有些听天由命的意思。这与那些正常的普通猕猴活蹦乱跳，好奇地观察新家的新鲜劲头，形成了天壤之别。“这说明，BMAL1基因敲除后，会造成抑郁、焦虑的表型。”张洪钧说，“正常猕猴的皮质醇，即压力荷尔蒙会有高有低，但基因编辑猕猴的压力荷尔蒙始终处于高水平。”

从基因敲除到生化指标异常，再到行为和精神异常，猕猴模型展现给科研人员与以往小鼠模型很多的不同。张洪钧表示，研究中可以看到基因编辑猕猴表现出怕人、避免与人对视等精神问题，这是在小鼠身上很难探测到的。

在另一个经典的听觉刺激实验中，研究人员在一连串规律的声音中随机插入特殊的声音，并记录猕猴听到声音时的脑电图。结果显示，基因编辑猕猴在识别和反应这些特殊事件的能力上不如正常猴，这与精神分裂患者的情况类似。

基于昼行性的非人灵长类动物模型，将生物节律与睡眠问题、精神疾病、免疫炎症反应、早衰等重大疾病联系起来，既可为开发这些疾病的治疗手段提供稳固可靠的理论基础，又可将其与临床相结合寻求对人类更精准有效的干预方法。

克隆成功打开
非人灵长类模式动物新大门

无论是基础科研，还是临床应用转化研究，能够将几乎所有变量剔除在外的模式动物具有无可比拟的优势。具有相同遗传背景的模式动物，将大大提升生命科学及医药研究的精准度。在生物节律紊乱基因编辑猕猴的基础上，中科院神经科学研究所科研团队成功克隆出5只遗传背景完全相同的BMAL1基因敲除猕猴。这是国际上首批生物节律紊乱猴及其克隆后代，填补了生物节律紊乱研究高等动物模型的空白。该成果还突破了利用活体猕猴体细胞克隆的难题，夯实了中国科学家在非人灵长类研究领域的领跑地位。

去年年初，克隆猴的诞生轰动世界科学界。“当时的‘中中’‘华华’所使用的细胞来自流产猴胚胎，这次使用的是1只青年活体基因编辑猴的皮肤细胞。”中科院神经科学研究所非人灵长类研究平台主任孙强研究员表示，越是年轻的细胞“活力”就越大，对于克隆而言，胚胎细胞要优于成熟细胞。但研究人员通过优化猴成纤维细胞培养体系和供体细胞同步化条件，使得此次克隆基因编辑猴顺利诞生。2018年7月12日、9月28日、10月3日、10月8日、10月12日，5只克隆猴分别出生。

研究人员仔细检测了这些克隆猴的细胞核基因型和线粒体基因型。如果是克隆动物，其细胞核的基因型一定和提供细胞核的那些细胞完全一致；而线粒体由于存在于细胞质当中，不会随着核移植一起转移，因此一定和提供卵细胞的猴子完全一致。果不其然，这五只小猴的细胞核基因型与核供体细胞完全一致，而线粒体基因型则与卵供体猴一模一样，同时它们的任何基因与生出它们的代孕妈妈彻底无关，非常符合克隆动物的鉴定金标准。

这些基因编辑克隆猴的诞生，意味着中国正式开启了批量化、标准化创建疾病克隆猴模型的新时代，为脑认知功能研究、重大疾病早期诊断与干预、药物研发等提供新型高效的动物模型，也将缩短药物研发周期，提高药物研发效率，解决脑疾病机理研究和药物研发中的“卡脖子”问题。