獼猴在遺傳和生理結(jié)構上與人有著極高的相似性,其代表物種恒河猴(Macaca mulatta)是目前生命科學和生物醫(yī)藥研究中使用最廣泛的靈長類動物之一。近年來,受新冠疫情以及生物大分子藥物研發(fā)需求暴漲的影響,獼猴資源曾一度出現(xiàn)嚴重短缺,甚至出現(xiàn)“一猴難求”的現(xiàn)象。開展獼猴資源的相關探索研究,無疑具有重要的意義與戰(zhàn)略價值。
中國科學院昆明動物研究所承擔建設的“模式動物表型與遺傳研究國家重大科技基礎設施(靈長類設施)”(以下簡稱大設施),是全球首個以靈長類動物為研究對象的大科學設施,也是我國實驗獼猴國家戰(zhàn)略性資源儲備基地。為了更好地保護和利用獼猴資源,昆明動物所依托大設施,自2023年起啟動了獼猴生物資源庫(Macaca Biobank)計劃,旨在對大設施擁有的獼猴開展全生命周期的宏觀、介觀、微觀表型及遺傳信息的全方面采集。目前,項目I期研究取得了階段性進展,研究人員已收集到919只中國獼猴的基因組數(shù)據(jù)以及52種表型數(shù)據(jù)(包括14種身體測量表型、21種血常規(guī)和17種血生化指標信息)。對于這些數(shù)據(jù)的分析,取得如下系列發(fā)現(xiàn):
首先,從遺傳組成上來看,大設施飼養(yǎng)的中國獼猴為我國多個地理亞種的混合種群,明顯區(qū)分于印度獼猴(即恒河猴印度支系),且具有較高的遺傳多樣度和較低的遺傳負荷,近交風險系數(shù)較低(圖1)。從突變特征的景觀圖譜來看,該獼猴隊列群體與現(xiàn)有的人群隊列存在諸多相似之處。例如:與核心生物學功能相關的核糖體、蛋白酶體、剪接體等管家基因異常保守,而與免疫相關的基因則表現(xiàn)出較高的變異性。有意思的是,研究人員發(fā)現(xiàn)與諸多神經(jīng)退行性疾?。ㄈ缂∥s性側(cè)索硬化癥、帕金森、亨廷頓病、阿爾茨海默病等)相關的基因,在獼猴隊列中也表現(xiàn)出異常的保守,提示這些疾病可能并非源于一些無關緊要的基因缺陷,而很可能是神經(jīng)元核心功能衰竭的結(jié)果。值得注意的是,研究人員還發(fā)現(xiàn)諸多藥物靶基因在不同獼猴個體中存在不同程度的功能丟失(loss of function),這提示人們在用獼猴開展藥效學評價之前,應對相關的藥物靶基因進行基因分型或測序,以明確其作用靶點基因是否存在突變,從而導致藥效學評價失敗。

圖1:大設施中國獼猴的遺傳組成和遺傳狀況
(a)大設施中國獼猴隊列與印度獼猴隊列(mGAP)發(fā)現(xiàn)的堿基突變數(shù)目對比;(b)包含與不包含印度獼猴情況下的恒河猴種群遺傳結(jié)構PCA結(jié)果;(c)中國獼猴野外群體與大設施中國獼猴籠養(yǎng)群體的遺傳混合情況;(d)中國獼猴野外群體與大設施中國獼猴籠養(yǎng)群體、印度獼猴籠養(yǎng)群體的核苷酸多樣度對比;(e)純合錯義突變與純合同義突變數(shù)目對比;和(f)純合loss of function突變與純合同義突變數(shù)目對比
其次,獼猴隊列的表型數(shù)據(jù)收集和整合分析,為探究已知基因和未知功能提供了重要的支撐?;?/span>于正向遺傳學的研究思路(forward?genomic approach),研究人員發(fā)現(xiàn)20多個基因的功能丟失與獼猴表型數(shù)據(jù)存在顯著的統(tǒng)計學關聯(lián),在全基因組關聯(lián)分析(genome-wide association?analyses)達到顯著水平的30個基因中,其中有6個基因在人群中被報道與相關表型存在顯著關聯(lián),表明基于獼猴隊列的研究對于人群的表型遺傳研究也具有很好的參考意義,而另外24個并未在人群中報道與表型關聯(lián)的基因,則是一個值得開展探索性發(fā)現(xiàn)的基因名錄。基于反向遺傳學的思路(reverse genomic?approach),研究人員在獼猴隊列中發(fā)現(xiàn)并鑒定了3192個經(jīng)預測可能有害的非同義突變,這為通過基因突變來尋找疾病表型、確認自發(fā)疾病模型提供了一個很好的索引藍圖。研究人員以精神分裂癥斷裂基因1(Disrupted-in-schizophrenia-1,DISC1)上的p.Arg517Trp突變?yōu)槔?,展現(xiàn)了在基因有害突變信息指引下自發(fā)模型的有效發(fā)現(xiàn)。DISC1是一個與多種精神疾病(包括精神分裂癥、抑郁癥、雙向情感障礙等)相關的易感基因,也是明星基因,在獼猴隊列中,發(fā)現(xiàn)攜帶純合有害p.Arg517Trp突變的個體與正常猴相比,存在刻板行為,壓力下的工作記憶顯著損傷,神經(jīng)功能亦受損,且腦結(jié)構和腦功能連接(尤其額葉)也有明顯差別(圖2),提示p.Arg517Trp突變的致病性。

圖2:攜帶有DISC1?(p.Arg517Trp)?突變的獼猴與正常獼猴相比,存在顯著的行為學、腦結(jié)構和腦功能連接差異
(a)工作記憶實驗示意圖;(b)突變猴Trp和正常猴Arg在不同延遲時間下的工作記憶成績;(c)施加額外壓力下工作記憶損傷情況;(d)神經(jīng)功能評分;(e)灰質(zhì)表面積腦葉水平變化情況及額葉顯著升高的腦區(qū);(f)白質(zhì)體積腦葉水平變化情況及顳葉顯著降低的腦區(qū);(g)腦室變化情況;(h)腦葉間功能連接增強情況;和(i)腦葉間功能連接減弱情況
總之,通過大規(guī)模獼猴遺傳和表型數(shù)據(jù)的采集,該研究首次刻畫了中國獼猴的突變景觀圖譜,解析了中國獼猴部分表型背后的遺傳基礎。另外,通過反向遺傳學的思路,發(fā)掘到一個潛在的自發(fā)疾病動物模型。作為項目I期的研究,目前還存在一定的局限性,如樣本量還比較有限,測定的表型指標還不夠多。未來,隨著隊列樣本量和測定的表型指標數(shù)的不斷擴大,有望揭示更多的獼猴表型與遺傳的奧秘,使得獼猴資源得到充分挖掘和利用。
總之,通過大規(guī)模地獼猴遺傳和表型數(shù)據(jù)的采集,該研究首次刻畫了中國獼猴的突變景觀圖譜,解析了中國獼猴部分表型背后的遺傳基礎。另外,通過反向遺傳學的思路,發(fā)掘到一個潛在的自發(fā)疾病動物模型。作為項目I期的研究,目前還存在一定的局限性,如樣本量還比較有限,測定的表型指標還不夠多。未來,隨著隊列樣本量和測定的表型指標數(shù)的不斷擴大,有望揭示更多的獼猴表型與遺傳的奧秘,使得獼猴資源得到更充分挖掘和利用。該研究結(jié)果以Forward and reverse genomic screens enhance the understanding of phenotypic variation in a large Chinese rhesus macaque cohort為題,發(fā)表在Nature Communications上(文章鏈接https://www.nature.com/articles/s41467-025-63747-x)。

中國科學院昆明動物研究所副研究員張寶林、博士研究生陳勇璇、助理工程師張亞莉為該文章的共同第一作者,中國科學院昆明動物研究所吳東東研究員、王建紅正高級工程師、中國科學院生物物理研究所劉寧研究員、中國科學院昆明動物研究所姚永剛研究員為該論文的共同通訊作者。該項研究得到科技部、云南省和中國科學院等來源項目的資助。
“模式動物表型與遺傳研究國家重大科技基礎設施(靈長類設施)”是位于昆明的國際一流設施,能開展靈長類動物從分子到整體、從胚胎到成體的全尺度研究,可規(guī)?;嘤龢藴驶J絼游铮珳蕶z測表型與遺傳信息。目前,靈長類設施已在靈長類疾病模型構建、腦進化等領域取得多個突破,支撐了一批國家重大重點科研項目開展,助力多項原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。