强大的记忆鼠标模型

老鼠已成为医学和科学研究中人类的重要模型，因为我们可以控制它们的天性和养育。但是，许多老鼠研究使它们变得漂亮和整洁的一个方面也阻止了这些发现很好地转化为人类：研究人员倾向于使用基因相同的“近交”老鼠。这有助于消除与感兴趣的基因无关的基因引起的噪音，从而更容易分离导致衰老或其他过程的遗传或环境因素。

与此同时，人类拥有各种各样的基因组成，这会影响他们对衰老、疾病、饮食或药物的反应。例如，并非所有患有 APOE4（阿尔茨海默病的遗传风险因素）的人都会患上这种疾病。也不是每个人对饮食改变的反应都相同，包括热量限制，或对帕金森氏症和多发性硬化症等其他脑部疾病的治疗方法。

缅因州杰克逊实验室 (JAX) 的神经科学家Catherine Kaczorowski说，只研究一种小鼠品系“就像只研究一个人一样”。 “如果你想将这些发现推广到治疗其他小鼠品系，最终是人类，这是一个主要的限制。”

为了试图了解不同的遗传背景如何影响衰老和对干预措施的反应，科学家们开发了新的、基因更多样化的小鼠种群。 “与 Kaczorowski 一起工作的 JAX 生物学家Kristen O’Connell说：“做一个具有遗传多样性的项目要复杂得多，而且成本要高得多。 “也就是说，人们越来越普遍地认识到，将遗传多样性包括在内是很重要的。所以我认为整个领域都在经历转型。”

Kaczorowski 的实验室一直是这一转变的领导者，他们将大部分工作重点放在遗传多样性菌株上，甚至为各种人类年龄相关疾病开发新模型。他们发现，与人类一样，具有不同遗传背景的老鼠的年龄差异很大，其中一些表现出更快的记忆力下降，而另一些则在老年时表现良好。他们现在正在使用这些小鼠来识别影响认知老化的基因，并揭示这些基因如何影响细胞、电路以及最终的记忆。

密歇根大学的病理学家理查德米勒说：“在过去的五年里，她一直是为数不多的顶级实验室之一，她将自己的大部分研究用于记录使用遗传异质动物的重要性。”使用不同的老鼠进行衰老。

威斯康星大学麦迪逊分校的内分泌学家 Dudley Lamming 称他们在基因多样性小鼠和认知老化方面的工作是“开创性的”，并表示它“为了解人类 [认知老化] 的根本原因打开了大门。”

多样性的力量

人们的认知老化显然具有遗传成分，但其​​程度和机制尚不清楚。许多研究表明，智力大约有 50% 可以通过基因遗传，具体取决于您接受测试的年龄。关于随着年龄增长性能下降的速度的研究较少。 Kaczorowski 说，双胞胎和家庭研究估计，纵向下降率大约有 50% 到 80% 取决于遗传。 （阿尔茨海默病的遗传率高达 80% 左右。）

一些研究研究了可能导致晚年认知差异的特定基因。 APOE基因编码一种将脂肪运送到神经元的蛋白质，其等位基因不仅与阿尔茨海默病的风险有关，而且与健康受试者的记忆和执行功能有关。参与炎症和氧化应激的基因也出现在遗传变异和认知老化的研究中。但是，识别特定的基因变异，尤其是那些与认知衰退恢复力相关的变异，一直具有挑战性。对小鼠进行的研究可以控制基因组和环境，这可能会指向新的目标。

2012 年，JAX 的一个团队创建了 JAX Diversity Outbred (DO) 小鼠群体，通过杂交精心挑选的八个近交系，以涵盖与糖尿病、癌症和其他疾病相关的各种特征。 Kaczorowski 的团队此后一直使用 DO 小鼠来寻找与认知衰老相关的遗传变异。在一项研究中，研究人员评估了 18 个月大的 DO 小鼠的工作记忆，大约相当于人类 60 岁，然后绘制了它们的基因组。 2020 年发表在《细胞报告》上的结果表明，一个基因的特定变体 DLGAP2强烈预测了老年小鼠的记忆能力。 “这个基因真正酷的地方在于，我们知道它在神经元中起着至关重要的作用，”Kaczorowski 实验室的研究生 Andrew Ouellette 说，他与 Sarah Neuner 和 Logan Dumitrescu 一起领导了这项研究。 “它与自闭症和精神分裂症有关，但尚未与阿尔茨海默病或正常认知衰退有关。”

DLGAP2 编码一种影响树突棘形状和结构的蛋白质，树突棘介导神经元之间的交流。先前的研究表明，刺的形状与记忆有关。 Ouellette 和合作者发现，在记忆任务中表现良好的老鼠有很多细长的刺和很少的粗短刺，这进一步表明该基因与认知老化有关。他们接下来研究了人类，将死后的脑组织与死亡前最后一次评估中的认知表现进行了比较。大脑中称为背外侧前额叶皮层的执行区域中 DLGAP2 蛋白表达较低的人在这项评估中表现更差。在被诊断患有阿尔茨海默病的人、认知障碍最小的人以及认知正常的人中都是如此。

Ouellette 说 DO 小鼠对他的工作至关重要。就像人类一样——除了同卵双胞胎——每只 DO 小鼠在基因上都是独一无二的。 “我们可以封装我们在人群中看到的遗传多样性，但要在受控的实验室环境中进行研究。”

Ouellette 在刚刚发表在 10 月份的《衰老神经生物学》杂志上的一项研究中再次使用了 DO 小鼠，该研究检查了饮食限制对保持晚年认知能力的潜力。先前的研究发现，热量限制和间歇性禁食可以改善小鼠老年时的寿命和记忆力。但 Ouellette 和合作者揭示了一幅更复杂的图景——遗传背景决定了限制性饮食如何影响认知老化。当对小鼠进行平均时，这些干预措施并没有提高 22 个月大小鼠的记忆力。这些饮食可能改善了某些小鼠的记忆力，特别是那些具有某些 SLC16A7 基因变体的小鼠，但它们会使其他小鼠的记忆力恶化。

一个全新的品种

Ouellette 说他主要使用 DO 小鼠进行探索，以寻找认知结果的遗传标记。 “现在这非常重要，因为作为一个领域，我们对大脑如何工作知之甚少，”他说。 “我们只需要对这些遗传机制有一个基本的了解。”

但出于某些目的，DO 小鼠实际上过于多样化——作为一个家庭，它们携带大约 5000 万个遗传变异，与人类遗传多样性大致相当。如果你想确定遗传模式和健康结果之间的相关性，你需要研究大量 DO 小鼠以获得统计能力，因为它们都非常不同，只有少数可能具有给定的遗传模式。

Kaczorowski 和合作者通过将 B6 小鼠（一种常见的近交系小鼠品系）与一个名为 BXD 的小鼠家族（由近 200 个遗传上不同的品系组成）杂交，调制了一种 Goldilocks 解决方案。 “[BXD 鼠标] 已经存在了很长时间，因此有大量关于它们的遗留数据，”O’Connell 说。研究人员不仅非常了解他们的遗传学，而且使用这些菌株开发了许多流行的遗传工具，例如 CRISPR。因此，科学家们知道他们可以在哪里插入报告基因——当感兴趣的基因活跃时可能导致细胞发出荧光的基因——而不用担心干扰其他细胞机制。与 DO 小鼠相比，被称为 B6-BXD 的新家族有大约 600 万个变体。 “这比小鼠研究中通常包含的多样性要多得多，但比人类研究的要少 10 倍，”Kaczorowski 说。 

由于这组小鼠具有一系列可重复的基因型，研究人员可以使用它们来探索不同的背景遗传学如何影响与年龄相关的正常认知衰退的速度。在 2020 年发表在《细胞与发育生物学前沿》上的一篇论文中，他们发现随着时间的推移，不同菌株在记忆测试中的表现不同。到中年，一些菌株容易出现认知能力下降，但有些则不然。研究结果证实，认知衰退是高度可遗传的，并且可能是由许多不同基因的组合驱动的。研究人员现在正在评估老年人的记忆力，他们希望这将揭示能够可靠地抵御认知衰退的菌株。

一旦研究人员确定了与认知衰老相关的基因，他们就可以使用 B6-BXD 面板来探索这些感兴趣的变体实际上是如何影响大脑的。 “我们可以将遗传结构与细胞和生理特征联系起来，”Kaczorowski 说。 “我们将有能力确定某些东西是认知老化的驱动因素，还是同时发生的事情或结果。”

作为 Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain 资助的一个新项目的一部分，Kaczorowski、O’Connell 和哥伦比亚大学的神经科学家Vilas Menon将研究表达高水平基因的神经元的功能和结构变化认知弹性。研究人员将对单个细胞中的 RNA 进行测序并记录细胞的电活动，以了解基因变化如何影响神经活动。 “西蒙斯的资助第一次让我们看到了方向性，”Kaczorowski 说。

Menon 会将小鼠的发现与人脑的死后组织进行比较，以确定小鼠的哪些变化可能与人类在转化上相关。 “如果我们能够调整小鼠细胞和人类细胞之间的组成，”Menon 说，“我们或许可以推断出人类细胞的电活动会是什么样子。”

从笼子到诊所

研究人员已经从他们关于认知衰退的工作中学到了很多东西。奥康奈尔说，即使是一点点遗传变异也能影响行为变异，她对此感到惊讶。 “我认为其他真正有趣的事情之一是正常认知老化在多大程度上可以解释与阿尔茨海默病和其他神经退行性疾病相关的衰退，”她说。 “这也许不应该那么令人惊讶，因为年龄是这些疾病的最大风险因素。但是，如果我们真的针对认知衰老的生物学过程，而不是针对某些神经病理学，我们也许能够增强认知能力，即使在阿尔茨海默病等疾病中也是如此。”

与此类似，Kaczorowski 说，研究人员通常同时研究认知能力下降和神经病理学，并将两者都与两者都没有的个体进行比较。她对另外两个象限感兴趣——有一个但没有另一个的人。通过将记忆丧失与脑斑块区分开来，她发现大多数认知能力下降不是由β-淀粉样蛋白堆积等神经病理学引起的，而是由其他遗传和环境因素引起的。她说，有些人“如果你查看他们的记忆力分数，并试图预测他们大脑中的内容，你会想象他们的大脑看起来一团糟，对吧？”她说，但他们的大脑看起来还不错。 “因此，大脑病理学与一个人的认知衰老方式之间存在这种二分法。”尽管存在脑部病变，但确定有助于保持记忆完整的保护性遗传因素为预防认知能力下降提供了一条有希望的途径。 （有关更多信息，请参阅“ 超级老人和百岁老人：寻找保护因素。”）

遗传多样性的老鼠也在帮助这项搜索。 Kaczorowski 和合作者对他们的 B6-BXD 小鼠使用了类似的策略来研究影响阿尔茨海默病严重程度的遗传因素，开发了一个 BXD 面板，该面板带有与 β-淀粉样蛋白斑块相关的遗传变异。在从母亲那里继承阿尔茨海默氏症相关基因的小鼠中，一些小鼠的记忆障碍比其他小鼠少得多。这表明他们从父亲那里继承的一些基因可能起到了保护作用。如果没有多样化的小鼠群体，这种保护基因的存在就不会那么明显。研究人员现在正试图识别这些基因。

Kaczorowski 已经在考虑如何将她的工作转化为未来的治疗方法——她已经为一种显示出治疗潜力的基因申请了专利，并筛选了超过 100,000 个靶向感兴趣蛋白质的分子，将候选者缩小到她将在小鼠身上测试功效的分子。梅农说，在不同小鼠身上测试候选疗法将使研究人员了解某种特定疗法是广泛有效还是仅在某些人群中有效。 “多亏了像凯瑟琳和克里斯汀这样的人，”他说，使用基因多样化的老鼠“现在被该领域认为是一种必要的工具。”