獼猴在遺傳和生理結(jié)構(gòu)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(xué)和生物醫(yī)藥研究中使用最廣泛的靈長(zhǎng)類動(dòng)物之一。近年來(lái),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(yán)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(guān)探索研究,無(wú)疑具有重要的意義與戰(zhàn)略價(jià)值。
中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所承擔(dān)建設(shè)的“模式動(dòng)物表型與遺傳研究國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施(靈長(zhǎng)類設(shè)施)”(以下簡(jiǎn)稱大設(shè)施),是全球首個(gè)以靈長(zhǎng)類動(dòng)物為研究對(duì)象的大科學(xué)設(shè)施,也是我國(guó)實(shí)驗(yàn)獼猴國(guó)家戰(zhàn)略性資源儲(chǔ)備基地。為了更好地保護(hù)和利用獼猴資源,昆明動(dòng)物所依托大設(shè)施,自2023年起啟動(dòng)了獼猴生物資源庫(kù)(Macaca Biobank)計(jì)劃,旨在對(duì)大設(shè)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(xiàng)目I期研究取得了階段性進(jìn)展,研究人員已收集到919只中國(guó)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(cè)量表型、21種血常規(guī)和17種血生化指標(biāo)信息)。對(duì)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(lái)看,大設(shè)施飼養(yǎng)的中國(guó)獼猴為我國(guó)多個(gè)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(fù)荷,近交風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較低(圖1)。從突變特征的景觀圖譜來(lái)看,該獼猴隊(duì)列群體與現(xiàn)有的人群隊(duì)列存在諸多相似之處。例如:與核心生物學(xué)功能相關(guān)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(guān)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(guān)的基因,在獼猴隊(duì)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(wú)關(guān)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(gè)體中存在不同程度的功能丟失(loss of function),這提示人們?cè)谟毛J猴開展藥效學(xué)評(píng)價(jià)之前,應(yīng)對(duì)相關(guān)的藥物靶基因進(jìn)行基因分型或測(cè)序,以明確其作用靶點(diǎn)基因是否存在突變,從而導(dǎo)致藥效學(xué)評(píng)價(jià)失敗。

圖1:大設(shè)施中國(guó)獼猴的遺傳組成和遺傳狀況
(a)大設(shè)施中國(guó)獼猴隊(duì)列與印度獼猴隊(duì)列(mGAP)發(fā)現(xiàn)的堿基突變數(shù)目對(duì)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(gòu)PCA結(jié)果;(c)中國(guó)獼猴野外群體與大設(shè)施中國(guó)獼猴籠養(yǎng)群體的遺傳混合情況;(d)中國(guó)獼猴野外群體與大設(shè)施中國(guó)獼猴籠養(yǎng)群體、印度獼猴籠養(yǎng)群體的核苷酸多樣度對(duì)比;(e)純合錯(cuò)義突變與純合同義突變數(shù)目對(duì)比;和(f)純合loss of function突變與純合同義突變數(shù)目對(duì)比
其次,獼猴隊(duì)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。基于正向遺傳學(xué)的研究思路(forward?genomic approach),研究人員發(fā)現(xiàn)20多個(gè)基因的功能丟失與獼猴表型數(shù)據(jù)存在顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián),在全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association?analyses)達(dá)到顯著水平的30個(gè)基因中,其中有6個(gè)基因在人群中被報(bào)道與相關(guān)表型存在顯著關(guān)聯(lián),表明基于獼猴隊(duì)列的研究對(duì)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(gè)并未在人群中報(bào)道與表型關(guān)聯(lián)的基因,則是一個(gè)值得開展探索性發(fā)現(xiàn)的基因名錄?;诜聪蜻z傳學(xué)的思路(reverse genomic?approach),研究人員在獼猴隊(duì)列中發(fā)現(xiàn)并鑒定了3192個(gè)經(jīng)預(yù)測(cè)可能有害的非同義突變,這為通過(guò)基因突變來(lái)尋找疾病表型、確認(rèn)自發(fā)疾病模型提供了一個(gè)很好的索引藍(lán)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(gè)與多種精神疾?。òň穹至寻Y、抑郁癥、雙向情感障礙等)相關(guān)的易感基因,也是明星基因,在獼猴隊(duì)列中,發(fā)現(xiàn)攜帶純合有害p.Arg517Trp突變的個(gè)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(gòu)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(xué)、腦結(jié)構(gòu)和腦功能連接差異
(a)工作記憶實(shí)驗(yàn)示意圖;(b)突變猴Trp和正常猴Arg在不同延遲時(shí)間下的工作記憶成績(jī);(c)施加額外壓力下工作記憶損傷情況;(d)神經(jīng)功能評(píng)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(qiáng)情況;和(i)腦葉間功能連接減弱情況
總之,通過(guò)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(guó)獼猴的突變景觀圖譜,解析了中國(guó)獼猴部分表型背后的遺傳基礎(chǔ)。另外,通過(guò)反向遺傳學(xué)的思路,發(fā)掘到一個(gè)潛在的自發(fā)疾病動(dòng)物模型。作為項(xiàng)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(cè)定的表型指標(biāo)還不夠多。未來(lái),隨著隊(duì)列樣本量和測(cè)定的表型指標(biāo)數(shù)的不斷擴(kuò)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(guò)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(guó)獼猴的突變景觀圖譜,解析了中國(guó)獼猴部分表型背后的遺傳基礎(chǔ)。另外,通過(guò)反向遺傳學(xué)的思路,發(fā)掘到一個(gè)潛在的自發(fā)疾病動(dòng)物模型。作為項(xiàng)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(cè)定的表型指標(biāo)還不夠多。未來(lái),隨著隊(duì)列樣本量和測(cè)定的表型指標(biāo)數(shù)的不斷擴(kuò)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(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)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?yàn)樵撐恼碌墓餐谝蛔髡?,中?guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所吳東東研究員、王建紅正高級(jí)工程師、中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所劉寧研究員、中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所姚永剛研究員為該論文的共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到科技部、云南省和中國(guó)科學(xué)院等來(lái)源項(xiàng)目的資助。
“模式動(dòng)物表型與遺傳研究國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施(靈長(zhǎng)類設(shè)施)”是位于昆明的國(guó)際一流設(shè)施,能開展靈長(zhǎng)類動(dòng)物從分子到整體、從胚胎到成體的全尺度研究,可規(guī)模化培育標(biāo)準(zhǔn)化模式動(dòng)物,精準(zhǔn)檢測(cè)表型與遺傳信息。目前,靈長(zhǎng)類設(shè)施已在靈長(zhǎng)類疾病模型構(gòu)建、腦進(jìn)化等領(lǐng)域取得多個(gè)突破,支撐了一批國(guó)家重大重點(diǎn)科研項(xiàng)目開展,助力多項(xiàng)原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)。