生命短暂，英年早逝

生理学家亚历山德罗·切莱里诺一直是一位水族馆爱好者，但鱼类最初并非他研究计划的一部分。2000年的一个下午，在意大利卡诺萨的一个堆满水箱的地下室里与育种者斯特凡诺·瓦尔德萨利奇闲聊时，切莱里诺漫不经心地问他哪种鱼寿命最短。瓦尔德萨利奇指着一个装有色彩鲜艳的非洲青 turquoise 鳉鱼的水箱：“它们的寿命不会超过三个月。”

“你在开玩笑吧？”在意大利比萨高等师范学院工作的切莱里诺问道。“好吧，我想要它们。”

因此，在2004年3月，切莱里诺和他的研究生达里奥·里卡多·瓦伦扎诺发现自己与意大利鳉鱼协会主席瓦尔德萨利奇一起乘坐四轮驱动卡车在莫桑比克颠簸前行。他们穿上齐胸高的防水靴和手套，从鱼类栖息的季节性、布满牛粪的泥坑中捕捞鳉鱼。与水箱中繁殖的版本一样，这些野生品系也异常短命。在众多鳉鱼品种中，青 turquoise 鳉鱼（Nothobranchius furzeri）的寿命最短，是任何圈养脊椎动物中最短的，寿命从3到12个月不等，具体取决于品系和生活条件。

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使用鳉鱼研究衰老并非新想法。在二十世纪后期，科学家研究了一种名为Nothobranchius guentheri的鳉鱼的衰老，该物种的寿命约为14个月。但是，鉴于当时可用的技术，他们只能提出关于衰老特征的基本描述。当切莱里诺遇到N. furzeri时，时机和运气都站在他这边：分子分析的进步为开发该模型和研究其衰老背后的机制创造了极好的条件。

相对于小鼠和斑马鱼等寿命更长的模型，鳉鱼的寿命较短，这使得衰老研究能够快速进展。而且由于鳉鱼是脊椎动物，因此与果蝇或线虫等短寿命生物的研究相比，这项研究与人类更直接相关（参见“寿命的长短”）。

为了建立鳉鱼模型，研究人员利用了现代基因组工具，并借鉴了成熟的斑马鱼协议技术，而不是从头开始。2015年，关于鳉鱼基于CRISPR–Cas9的基因编辑技术的发表，以及两项互补的基因组测序工作，将鳉鱼提升为可进行基因操作的模型的地位。

鳉鱼——或一些科学家亲切地称之为Notho——无疑正在赢得粉丝。瓦伦扎诺说，人们的兴趣“在过去几年里真正爆发了”，他现在在德国科隆的马克斯·普朗克衰老生物学研究所工作。他估计，去年大约有二十多位科学家访问了他的团队，学习鳉鱼的饲养方法。6月份，大约70位Notho爱好者参加了在德国耶拿举行的第二届Nothobranchius研讨会。但是，饲养鳉鱼的挑战——例如缺乏标准化饮食——以及对基本试剂（例如Notho特异性抗体）的需求意味着，鳉鱼要达到实验室小鼠的实用性还有很长的路要走。

对科学家如此有吸引力的短暂存在是鱼类对其自然环境的一种进化适应：它们的加速发育使它们能够在赤道非洲雨季的短暂泥塘中生存和繁殖。鱼卵在旱季以休眠状态存活，一旦雨季来临，水坑形成，它们就会孵化。鱼只有几周或几个月的时间长大并产卵，然后水就会干涸。

自1968年在津巴布韦发现青 turquoise 鳉鱼以来，业余爱好者就被雄鱼艳丽的外观所吸引，一直在收集它们。因此，切莱里诺面临的第一个挑战是确认它们的寿命并非数十年水箱繁殖的副作用。切莱里诺团队在莫桑比克捕获的大多数野生N. furzeri的寿命约为八个月——不如津巴布韦近交品系那么短，但仍然足够引起科学家的兴趣。

但这又引出了另一个问题：鳉鱼的衰老方式是否与人类的衰老过程相似？瓦伦扎诺说是的：鱼在死亡前确实会“变老”。“它们不会在四个月后突然死亡，”他说。“它们会慢慢衰退。”鱼的颜色变得暗淡，失去肌肉量和体重，患上癌症，并且游泳减少。

意大利那不勒斯腓特烈二世大学的解剖学家莉维亚·丹杰洛说，大脑也显示出衰老的典型迹象。神经胶质细胞——为神经元提供支持和保护的大脑细胞——上调胶质纤维酸性蛋白GFAP，这与哺乳动物衰老时的情况相同，并且富含脂质的与年龄相关的色素颗粒称为脂褐素会积聚。瓦伦扎诺补充说，神经元会退化并沉积聚集的淀粉样分子，类似于阿尔茨海默病患者中看到的斑块。他还发现，老鱼的学习能力不如年轻鱼。年轻鱼很快就能弄清楚如何避免不愉快的刺激，例如在水箱中旋转的塑料棒，而老鱼则需要更长的时间才能理解。“对于神经科学研究来说，这是一个非常好的模型，”丹杰洛说。

鱼类对延缓衰老的干预措施的反应也与一些短寿命脊椎动物非常相似。白藜芦醇——红酒中延长线虫和果蝇寿命的物质——可以将它们的寿命延长高达59%。限制每天隔天喂食会产生热量不足，已知这种热量不足可以延长从酵母到啮齿动物的生物体的寿命，并且对鳉鱼也同样有效，尽管效果因品系而异。

捕鱼结束

在证明鳉鱼会随着年龄增长而衰退之后，科学家现在想了解这个过程是如何发生的。一个关键资源是来自非洲的几个品系的集合，这些品系的基因组并不相同。切莱里诺说，Notho科学家有四个主要品系可供选择：最初的津巴布韦品系，以及三个源自2004年和2007年在莫桑比克捕获的鱼类的品系，这些品系的寿命稍长。

通过杂交两个品系，切莱里诺和他的团队创造出了寿命范围不同的鱼。然后，他们比较了亲本和第二代后代的基因组和寿命，并确定了一些染色体区域，每个区域都有数百个可能影响衰老的基因。尽管这些区域没有直接揭示参与长寿的基因，但它们暗示了可能的候选基因。从这项研究中，科学家估计，青 turquoise 鳉鱼寿命变异的大约32%是遗传因素造成的，这个数字与小鼠中估计的20-35%的遗传贡献相当。

从那时起，鳉鱼向有效研究模型的转变加速了。加利福尼亚州斯坦福大学研究衰老的遗传学家安妮·布鲁内特一直渴望有一种短寿命的脊椎动物，当瓦伦扎诺访问斯坦福参加夏季课程时，她很高兴听到鳉鱼的消息。她招募他到她的实验室做博士后，2006年，瓦伦扎诺将鳉鱼带到加利福尼亚。在那里，他复制并修改了斑马鱼的协议，以转移外源基因，从水母的绿色荧光蛋白基因开始。2015年，布鲁内特和她的同事报告了在鳉鱼中成功使用CRISPR–Cas9基因编辑，产生了在端粒缩短和线粒体功能障碍等关键衰老事件中涉及的13个基因突变的鱼。

随着人们对Notho的热情日益增长，两个研究小组着手进行其基因组测序：布鲁内特在斯坦福大学的实验室，以及切莱里诺和合作者在耶拿的莱布尼茨衰老研究所–弗里茨·利普曼研究所，切莱里诺曾在那里工作过一段时间，并且仍然维持着一个合作小组。两个小组都在2015年12月发表了基因组序列。“这两篇论文是互补的，”莱布尼茨研究所的分子遗传学家马蒂亚斯·普拉泽说，他与切莱里诺合作。这些团队的研究人员现在计划制作一个共识序列。

除了基因组之外，科学家们还在探索在生命周期的不同阶段哪些基因被转录成RNA并用于蛋白质生产。普拉泽和他的同事们正在研究信使RNA分子——鳉鱼转录组——以找出答案。为了整理出一个转录本目录，他们对从胚胎期到39周大的不同年龄段的鳉鱼全身、大脑和皮肤的RNA进行了测序。

切莱里诺的团队使用了类似的技术来追踪同一条鳉鱼的组织在发育过程中发生的变化。通过采集小的鳍片样本，他们让鱼活得足够长，以便再次取样。他们发现，短寿命和长寿命鳉鱼的转录组在这些鱼只有十周大时就有所不同，并鉴定出一种蛋白质，它是寿命的关键控制者。

由于鳉鱼不是哺乳动物，将鱼类基因与人类基因联系起来需要一个飞跃。鱼类基因通常有人类对应物，但这些对应物可能很难找到。这部分是因为鳉鱼的祖先经历了全基因组复制：在人类DNA中有一个基因拷贝的地方，鳉鱼通常有两个。但在耶拿会议上，俄勒冈大学尤金分校的遗传学家约翰·波斯特尔思韦特提供了一个潜在的解决方案。他解释说，诀窍是使用另一种鱼类的中间基因组：斑点雀鳝（Lepisosteus oculatus）。雀鳝的祖先在复制事件之前就与鳉鱼的祖先分道扬镳，因此它的基因组在某些方面更类似于哺乳动物的基因组。科学家们或许能够在雀鳝中找到鳉鱼基因的对应物，并从那里找到人类的匹配基因。

西雅图华盛顿大学研究衰老的分子生物学家马特·凯伯莱因说：“鳉鱼的研究显然非常具有创新性，并且可能成为一个非常有价值的模型。”但他不确定这种鱼能有多受欢迎，并指出它的采用将取决于它的操作难度以及鳉鱼科学家是否能够获得足够的资金。马里兰州贝塞斯达美国国家衰老研究所的项目官员罗恩·科汉斯基说，该机构没有资助鳉鱼研究，但对这种鱼感兴趣：“鳉鱼在多个层面上构成了一个很好的衰老模型，”他说。

蓝色拇指

然而，这种非洲鱼也有其缺点。首先，它不像斑马鱼等其他鱼类那样容易在实验室中饲养。“你需要有‘蓝色拇指’，”切莱里诺说。“你至少需要有一个人100%的时间照顾这些鱼。”它们也比斑马鱼需要更多的空间，斑马鱼在拥挤的条件下生长良好；鳉鱼雄鱼有时会打架，可能会互相干扰生长。由于鳉鱼发育得如此迅速，它们吃得很多——因此产生大量废物，导致水质面临挑战。“我们开玩笑说，我们不是在养鱼，而是在维护生物过滤器，”阿拉巴马大学伯明翰分校的比较生理学家米基·鲍威尔说。

鳉鱼很容易产卵；一对鱼每天可以产20-40个卵。但随后事情变得棘手，因为鱼卵需要在相当干燥的地方发育。科学家们经常将鱼卵转移到泥炭中几周，但鱼卵不会同时孵化，因此需要密切关注。

许多研究人员用血虫喂养鳉鱼，但这种食物的质量随季节和供应商而异。鲍威尔指出，食物很重要，她正在研究一种标准化的鳉鱼食物；例如，饮食会影响表观遗传标记，而表观遗传标记反过来又会影响寿命。她认为，食物选择可能解释了为什么一些实验室报告的鳉鱼寿命不同。

研究人员还需要更好地了解如何保持实验室种群的健康。2008年，布鲁内特的实验室措手不及，当时几条鱼开始出现奇怪的行为，笨拙地翻滚而不是直线游泳。一位兽医外科医生诊断出寄生虫Glugea，科学家怀疑这种寄生虫是随着他们从鱼店购买的其他种类的鳉鱼一起进入的。“那是最低谷，”布鲁内特说。“我们不得不漂白一切，从头开始。”

科学家们仍然渴望获得其他模型系统容易获得的工具。瓦伦扎诺和布鲁内特希望获得用于研究鱼类蛋白质的抗体，瓦伦扎诺还梦想拥有更多的品系和一个提供这些品系的种质库中心。随着鳉鱼研究人员群体的壮大，这些可能会实现。

普拉泽说，这个群体正在扩展到研究衰老的人之外。发育生物学家对鱼卵经历的暂停生命或滞育感兴趣，进化遗传学家对鳉鱼使用XY染色体性别选择感到好奇。许多其他鱼类使用种群密度、环境温度或ZW染色体等机制，其中卵子而不是精子决定后代的性别。耶拿会议的联合组织者、莱布尼茨研究所的克里斯托夫·恩格勒特说，这次会议吸引了对使用鳉鱼研究血液形成过程中的表观遗传学、毒理学和轮班工人生物学的科学家。

瓦伦扎诺说，Notho研究人员之间的讨论已从工具开发转向生物学。例如，在预印本服务器bioRxiv上发布的一项研究中，切莱里诺和他的同事描述了一种参与控制过量铁水平的microRNA如何在衰老鳉鱼中上调，以保护大脑免受铁积累。他补充说，人类版本的这种microRNA与阿尔茨海默病有关，阿尔茨海默病是一种已被认为与高铁水平有关的疾病。

“有趣的部分才刚刚开始，”瓦伦扎诺说。

本文经许可转载，并于2016年7月20日首次发表。