论文标题：The evolution of a series of behavioral traits is associated with autism-risk genes in cavefish

期刊：BMC Evolutionary Biology

作者：Masato Yoshizawa et al

发表时间： 2018/6/18

数字识别码：10.1186/s12862-018-1199-9

原文链接：https://bmcevolbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12862-018-1199-9?utm_source=BMC_blog&utm_medium=Blog&utm_content=DavFal-BMC-BMC_Evolutionary_Biology-Veterinary_Sciences-Global&utm_campaign=BMCS_USG_JUNE2018_Cavefish_autism_link?utm_source=WeChat&utm_medium=Social_media_organic&utm_content=DaiDen-BMC-BMC_Evolutionary_Biology-Biology-China&utm_campaign=BMCS_USG_BSCN_DD_BEB_BLOG_FISH

动物行为的多重变化是否在物种间具有共同的遗传基础是演化生物学中最重要的问题之一。盲眼穴居鱼是可用于研究这一问题的一种有趣物种，它表现出人类自闭症谱系障碍（ASD）相似的症状。在发表于BMC Evolutionary Biology的一篇论文中，一组研究人员将这种鱼作为动物模型来研究自闭症背后的遗传机制。

墨西哥丽脂鲤以两种不同的形式存在：一种是河中的表层鱼，另一种是比较少见的穴居鱼，它们没有眼睛，被发现于北美与世隔绝的洞穴中。

表层鱼是典型的河鱼，它们形成鱼群，在晚上睡觉，均衡关注食物、捕食者和配偶，休息时在水中平静地游来游去。相反，穴居鱼会不停地游动，很少与伴侣互动或睡觉，表现出重复的行为模式，如在水柱中间打转，它们血液中一种焦虑激素—皮质醇的含量更高。

两种不同形式的墨西哥丽脂鲤：表层鱼和穴居鱼。

这些症状与自闭症患者的表现有相似之处，其特点是难以与他人进行社交互动、多动、失眠、注意力不平衡以及焦虑。

人类和鱼类之间的这些共同行为具有不同的复杂性等级，但它们似乎是由进化上保守的神经通路驱动。例如，基于情绪的行为、注意力、社交和睡眠调节都依赖于大脑中保守的神经网络，如皮质区、丘脑、下丘脑和松果体。

最近的研究结果表明，在穴居鱼身上观察到的行为在鱼类和人类之间进化上是保守的。

ASD-risk genes in cavefish 穴居鱼中的自闭症风险基因

我们对人类自闭症风险基因在穴居鱼中的同源基因进行了全面研究，并通过这些基因发现了穴居鱼和人类之间一些惊人的相似之处。

在穴居鱼和自闭症患者中，大多数的自闭症风险基因的同源基因都具有相同的基因表达趋势（上调或下调）。与其他自闭症啮齿动物模型和来自自闭症患者的诱导多能干细胞的神经元相比，这种相似性非常高。

实验装置

墨西哥丽脂鲤：表层鱼

我们还调查了穴居鱼谱系中基因的进化，发现自闭症风险基因的进化速度是穴居鱼基因组中其他基因的两倍。有趣的是，自闭症风险基因在人类中也是被积极选择的。

我们目前正在测试人类自闭症治疗药物对鱼类社会行为的作用。我们认为鱼类和人类进化过程中产生自闭症类似行为的基本神经网络是相同的。

我们和其他研究团队认为，穴居鱼的许多行为有助于在黑暗中找到食物。但是自闭症风险基因是如何在人类中进化的呢

人类遗传学家Polimanti等人认为自闭症与儿童智力、上大学和受教育年限呈正相关。Weiner等人认为，许多自闭症风险基因被认为具有导致自闭症的累积效应。换言之，仅有某些自闭症风险基因突变的人可能有更好的学术成就；然而，如果许多自闭症风险基因中都存在突变，就有更大的可能患自闭症。

其他物种中的自闭症类似行为

除穴居鱼之外，我们还不知道有什么动物模型能自然地显示出一系列与自闭症相关的行为。然而，Shpigler等人最近的一项研究表明，自闭症风险基因是进化保守基因，并调节蜜蜂和人类的社交性。

我们对社交和其他行为在适应过程中的进化仍知之甚少，因为许多这些行为极为复杂，由多种基因调控。通过对人类、穴居鱼和蜜蜂的比较研究，动物可能通过改变自闭症风险基因来适应新的环境并转变其行为。

研究自闭症风险基因在其他迅速进化的物种（如东非湖区的慈鲷鱼、特立尼达岛的孔雀鱼和绿色的变色龙）中是否同样被改变或许会得到有趣的结果。

就自闭症类似行为而言，鹿鼠在新环境下会表现出重复行为。此外，也有一些饲养的突变小鼠，包括BTBR小鼠和基因敲除小鼠，它们已经失去了有功能的自闭症风险基因，其中许多都表现出社交障碍、对群体缺乏兴趣、发声模式改变、刻板重复行为等特点。

所有这些都被认为是自闭症类似行为，这些行为的表达有着相同的分子和神经机制。然而，这些模型并未表现出自闭症中出现的身体缺陷（如免疫缺陷或消化系统损伤）。我们发现穴居鱼除了一系列自闭症类似行为之外，在两种系统中都表现出相似的变化，因此穴居鱼或许可以填补对自闭症系统认识中的空白，并为新的自闭症治疗方法提供基础。

摘要：

Background

An essential question in evolutionary biology is whether shifts in a set of polygenic behaviors share a genetic basis across species. Such a behavioral shift is seen in the cave-dwelling Mexican tetra, Astyanax mexicanus. Relative to surface-dwelling conspecifics, cavefish do not school (asocial), are hyperactive and sleepless, adhere to a particular vibration stimulus (imbalanced attention), behave repetitively, and show elevated stress hormone levels. Interestingly, these traits largely overlap with the core symptoms of human autism spectrum disorder (ASD), raising the possibility that these behavioral traits are underpinned by a similar set of genes (i.e. a repeatedly used suite of genes).

Result

Here, we explored whether modification of ASD-risk genes underlies cavefish evolution. Transcriptomic analyses revealed that > 58.5% of 3152 cavefish orthologs to ASD-risk genes are significantly up- or down-regulated in the same direction as genes in postmortem brains from ASD patients. Enrichment tests suggest that ASD-risk gene orthologs in A. mexicanus have experienced more positive selection than other genes across the genome. Notably, these positively selected cavefish ASD-risk genes are enriched for pathways involved in gut function, inflammatory diseases, and lipid/energy metabolism, similar to symptoms that frequently coexist in ASD patients. Lastly, ASD drugs mitigated cavefish’s ASD-like behaviors, implying shared aspects of neural processing.

Conclusion

Overall, our study indicates that ASD-risk genes and associated pathways (especially digestive, immune and metabolic pathways) may be repeatedly used for shifts in polygenic behaviors across evolutionary time.

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期刊介绍：BMC Evolutionary Biology is an open access, peer-reviewed journal that considers articles on all aspects of molecular and non-molecular evolution of all organisms, as well as phylogenetics and palaeontology.

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（来源：科学网）