Nat Comm丨马莉等揭示导致洞穴盲鱼视觉退化的首个基因

责编 | 酶美

洞穴鱼是指在自然状态下，其生活史的全部或部分阶段必须在洞穴或地下水体中完成的鱼类，缺少洞穴或地下水体环境，其生活史不能正常完成。由于洞穴独特的黑暗环境，鱼类的生存受到了食物、定位 和繁殖等方面的限制，洞穴鱼类产生了一系列与之相适应的形态特征并能遗传给下一代，其中最显著的特点就是视觉系统和色素系统退化消失。关于盲鱼眼睛为什么退化，自达尔文首次提到眼睛的丢失是由于它的无用（Darwin suggested that eyes would be lost by “disuse”)，过去的150年间，几乎没有令人满意的答案。关于洞穴生物视觉退化的机制一直令生物学家们感到困惑，多年来围绕到底是晶状体凋亡退化还是视网膜凋亡退化从而导致盲鱼眼睛缺失一直有所争议。尽管遗传学分析显示洞穴鱼视觉退化是由多基因调控的，然而可以直接导致洞穴鱼视觉退化的基因却一直未能确定。

2020年6月2日，美国马里兰大学William R. Jeffery教授领导的研究团队 (马莉博士为本文第一作者)在Nature Communications杂志发表文章“A hypomorphic cystathionine -synthase gene contributes to cavefish eye loss by disrupting optic vasculature”，首次确定了导致盲鱼视觉系统退化的基因胱硫醚β-合酶a(cystathionine beta-synthase a), 发现该基因的突变会导致盲鱼眼部血液的流动在关键时期受到抑制，缺少血液流动会导致盲鱼的眼睛发育停滞，逐步凋亡退化并被结缔组织和皮肤覆盖，从而揭示了盲鱼视觉退化的全新机制。

该研究利用墨西哥脂鲤 （Astyanax mexicanus）为模式生物探讨了洞穴盲鱼视觉系统退化发育的分子机制。墨西哥脂鲤是由生活于河流表面的表层鱼（Surface fish）和生活在洞穴中的盲鱼 (Cavefish)构成的单一物种，迄今发现有29个种群。从外形来看，两者最显著的区别就在于表层鱼具有正常的眼睛和色素，而盲鱼的眼睛和色素退化消失。尽管盲鱼的眼睛最终退化消失，但是在胚胎发育的早期阶段盲鱼种群也会形成相对完整的眼原基。

图1: 墨西哥脂鲤的表层鱼种群和洞穴盲鱼种群。

根据Jeffery教授和其他研究人员先前的研究结果表明，墨西哥脂鲤基因组中多个区域可能含有导致眼睛退化的基因，而每个区域可能包含上百个基因，一次性调查所有区域是不切实际的。因此，Jeffery教授和马莉博士通过选择最小且最有希望的区域，来筛选导致盲鱼视觉系统退化的候选基因，并通过比较这些基因在眼睛发育关键时期的表达，最终将关注点确定到了cbsa基因，并发现cbsa基因在研究的所有盲鱼种群中均发生了突变。更重要的是，研究人员发现洞穴盲鱼的表型和人类高半胱氨酸尿症患者之间存在相似之处。在人类， cbsa基因突变会导致高半胱氨酸尿症也称为胱硫醚β合酶缺乏症（是氨基酸甲硫氨酸的代谢遗传性疾病），会引起眼睛畸形和血液循环方面的问题，包括晶状体异位、血栓、出血、动脉瘤、中风、心脏病发作和过早死亡等。Jeffery教授注意到，在盲鱼胚胎视觉系统开始退化发育的阶段，眼周围的血管中会出现动脉瘤和出血。

图2：盲鱼眼睛周围的血管产生动脉瘤和出血。

为了验证cbsa基因的突变与盲鱼视觉系统退化发育的相关性，马莉博士在表层鱼中使用基因编辑工具CRISPR-Cas9和Morpholino对cbsa基因进行突变，发现会导致表层鱼的胚胎出现小眼或者眼睛缺失的表型，而在盲鱼中过量表达cbsa可以部分挽救眼睛的表型。研究也发现cbsa突变导致的眼周围血管系统受损会引起发育中的眼睛缺氧，并最终导致视觉系统相关结构退化凋亡。通过一系列序列分析，增加子功能验证，基因表达分析、荧光追踪定位、酶联免疫和凋亡检测的方法，揭示了导致盲鱼视觉退化的全新机制：cbsa基因的失活通过诱导转硫中间体同型半胱氨酸的积累和眼部血管系统的缺陷（包括动脉瘤和眼出血），从而引起视觉系统发育过程中的缺氧和营养供应不足导致盲鱼视觉系统在后期的退化消失。这一结果也从理论上解释了为什么盲鱼早期晶状体和视网膜正常发育而后期退化凋亡，是因为视觉系统的血液供应出了问题而导致缺氧和后期营养供应不足从而诱导其凋亡。

图3: 盲鱼视觉系统退化发育的分子模型

综上所述，该研究首次鉴定出了可以直接导致洞穴盲鱼视觉系统退化发育的基因胱硫醚β-合酶a，揭示了该基因突变引起的抑制眼部血液循环，进而导致盲鱼视觉退化的分子机制。该结果不仅有助于理解洞穴鱼类适应性进化的分子发育生物学机制，而且为人类开发出治疗高半胱氨酸尿症的方法提供理论支持。除了应用于本研究外，通过对洞穴鱼类研究揭示的相关分子机理，也可以为人类重大疾病如视觉退行性疾病，白化病、黑色素瘤、肥胖症、糖尿病以及阿尔茨海默病等提供重要的科学依据。

马里兰大学生物系William R. Jeffery教授为本文的通讯作者，马里兰大学生物系马莉博士为本文第一作者。该研究还得到美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）Brant M. Weinstein教授，Aniket V. Gore博士和斯坦福大学（Stanford University）Kelly A. Tomins博士等的大力支持。

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16497-x

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