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赛业神经科学云课堂第五期:渐冻症的发病机理及相关小鼠模型概述

前文将肌萎缩性脊髓侧索硬化症(渐冻症, ALS)的症状和治疗手段做了一个小小的总结(戳这里可查看),今天我们来聊一聊ALS的机理及相关的动物模型。在说机理之前,一个绕不开的话题就是运动神经系统及运动神经元,因为该疾病造成的损伤都是针对运动神经系统的,虽然肌肉也受到了影响,但只能算得上是“次生灾害”。

 

赛业神经科学云课堂第五期:渐冻症的发病机理及相关小鼠模型概述

 

渐冻症与运动神经系统

 

主动运动(Voluntary Movement)的信号传递始于大脑中的运动皮层和脑干(Brainstem),运动皮层负责制定运动计划,并为动作发号施令;而脑干则负责一些更基础的运动功能,如呼吸,运动和姿势的维持等,很多时候不需要主动意识的参与;在大脑里还有两个辅助部门,基底神经节(Basal Ganglia)和小脑(Cerebellum),基底神经节负责运动指令的准备和纠正一些在命令传递过程中的错误;小脑在运动的全过程中行使协调各部门职能的责任。皮层和脑干的命令发出以后,传递到了“地方官员”脊髓或运动神经池(Motor Neuron pools)中,注意这里有的信息是直达运动神经节,有的则是通过脊髓神经传达给运动神经池;运动神经池中的各个运动神经元就开始给肌肉下达干活(运动)的指令。同时脊髓也会通过各种感觉神经元将运动的结果汇总分析,如果分析出简单问题则自行处理,复杂问题则上报“中央(运动皮层或脑干)”等待指示。在正常的机体中,这一套行政体系可以有条不紊的进行。ASL的病变就是发生在由上运动神经元(Upper Motor Neuron, UMN)和下运动神经元(Lower Motor Neuron, LMN)所构成的运动命令信息传递链上。UMN指的是不与肌肉直接联系的皮层,脑干和脊髓中的神经元(不包括小脑和基底神经节这种辅助性脑区的神经元);而LMN则指的是与运动神经连接的基层干部。在ALS中作为底层的肌肉不会发生病变,只不过随着神经活动的减弱而萎缩。

 

图1. ALS和运动神经系统[1-2]

图1. ALS和运动神经系统[1-2]

 

ALS的相关基因

 

每个病患的ALS的病程和症状差异很大,相关致病因素也是五花八门,相继有报道称脑外伤、高血压、吸烟等因素与ASL有关,但目前公认与ALS关系最密切的还是年龄和遗传。年龄自不用说,是很多神经退行性疾病的最高风险。遗传性因素也不惶多让,虽然遗传性的ALS占比不高,但仍然有20多个基因被列入了ALS的元凶名单。接下来我们就挑几个重点的来详述。

 

首先登场的是最早发现的超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1, SOD1),1993年发现该蛋白的突变与ALS扯上了关系,虽然现在看来它对ALS的影响不是最大的(大概有20%的遗传性ALS与之相关),但第一的身份让它万众瞩目。SOD1的工作本来是将细胞产生的具有活性的过氧化物(该物质的氧原子上还有额外的电子)转化成过氧化氢和氧气。而突变了的SOD1不能完成这个任务,造成神经元的氧化损伤,因此出现病症;不过也有说法是突变的SOD1本身也会聚集形成内涵体,这就有点像PD中的α-synuclein了,但是在ALS中最重要的蛋白聚集并不是SOD1,而是“另有其人”。由于发现得早,做SOD1研究的人多,大家又陆陆续续地把其致病机理扯到了影响轴突运输,影响脊髓毛细管出血,诱发炎症,破坏髓鞘等方面。

 

接下来,2001年发现了早发型ALS相关的ALS2,该基因编码的蛋白负责核内体转运;2002年发现了参与RNA加工的SETX;2004年发现了与内质网和胞内膜转运相关的VAPB;2006年ANG和CHMP2B加入了ALS致病基因家族,前者参与RNA加工,后者与核内体转运和自噬相关。

 

到了2008年,另一个大魔王浮出水面,这就是和AD中的tau,PD中的α-syn,HD(亨廷顿病)中的htt并称“四大恶人”的TDP-43,编码这个蛋白的基因叫做TARDBP,中文全名是反式反应DNA结合蛋白4(transactive response DNA-binding protein 4),虽然该基因的突变也就在不到5%的家族性和不到1%的散发性ASL中出现,看似不过“泯然众基因”而已,不过在高达97%的病患的运动皮层和脊髓中都发现了TDP-43的内涵体(出现TDP-43内涵体可以不需要这个基因本身的突变,和AD中的tau何其相似!!),让其摇身一变,炙手可热。TDP-43平时主要参与和mRNA相关的工作,比如转录调控,mRNA的剪切加工,转运或者代谢什么的。但在ALS的研究中,人们发现本应该在细胞核内工作的TDP-43大量涌入了细胞质,从而导致了细胞核内“劳动力”不足,TDP-43负责的mRNA无法加工成成品,同时聚集在细胞质中的TDP-43开始躁动,形成包涵体,危害神经元的存活。

 

图2. TDP-43沉积和ALS的相关基因的陆续发现[4]

图2. TDP-43沉积和ALS的相关基因的陆续发现[4]

 

2009年,对于ALS的遗传研究来说又是一个丰收的年份,除了发现另一个核内体转运融合蛋白FIG4以外,还发现了FUS(Fused in sarcoma)蛋白。FUS是一个RNA结合蛋白,它的突变在家族性ALS和散发性ALS中的贡献分别是4%和1%。针对这个蛋白最开始的研究是在脂肪肉瘤领域(liposarcoma),可以说它本来的功能和TDP-43有一定程度的类似,它们的突变都能促使各自蛋白发生聚集,从而杀死神经元。

 

再往后,SPG11(胞内转移酶,与轴突生长相关),OPTN(自噬相关),ATXN2(RNA加工),VCP(自噬),SIGMAR1(蛋白酶系统,自噬)和UBQLN2(泛素蛋白酶系统,自噬)等相继被揪出。其中UBQLN2(2011年发现)这个蛋白是位于X染色体上的,也是目前发现的所有有关ALS基因中唯一一个位于性染色体上的,虽然其突变只在ALS人群中占2.1%,但是否可以成为阐明ALS发病的男女差异的突破口呢?

 

但是,2011年ALS真正的主角不是UBQLN2,而是C9ORF72,不得不说,起这个名字的人真是太懒了,C9指的是9号染色体,ORF72指的是第72个开放阅读框。ALS病人中这个C9ORF72片段中的内含子部分中,有一个GGGGCC序列会发生400-2000次的重复,而在大部分非ALS患者中这个片段的重复在10次以内。这种大量重复在家族性ALS中占比36.7%,散发性ALS占比为6.3%。另外值得注意的是,C9ORF72的这种改变在家族性的FTD(额颞页痴呆,以后讲痴呆的时候会详细介绍)中也是常客(25%)。所以在遗传性的ALS中会经常出现FTD的身影。如果是在延髓性的ALS中,C9ORF72相关的病患比例会进一步提高(44%)。从对这个基因的命名就可以看出,目前C9ORF72的功能还并不是十分确定,只有少数报道说它参与自噬和内涵体运输。有意思的是,该基因发生改变的ALS病患大多是在欧美,而在亚洲绝大部分地区是相当罕见的。

 

接下来的时间里,虽然也陆陆续续发现了接近10个与ALS相关的基因,但还没有出现C9ORF72同样量级的ALS基因。所有的基因详情和比较见图3,图中为最热点的ALS基因标上了颜色,没有标颜色的并不代表不重要,只是目前研究相对较少而已。

 

图3. ALS的相关基因信息列表[4]

图3. ALS的相关基因信息列表[4]

 

ALS小鼠模型

 

ALS不像PD一样有较好的化学诱导模型,目前最靠谱的模型只能靠基因编辑,因此很多ALS转基因小鼠也应运而生。如图3所示,绝大部分ALS相关基因都是常染色体显性的,因此要让转基因编辑小鼠出现症状并不是难事。如前文所述,SOD1因为先发优势,针对其开发的ALS模式小鼠非常之多,截止至2019年年中,已经有接近30种之多;TARDBP(编码TDP-43)相关也有超过30种;FUS有大概接近10种;其余的如UBQLN2,VCP和VABP的动物模型则比较少。

 

另外有人可能要问C9ORF72呢?这个当然是有的,不过由于这个基因的外显子突变是极少的,致病原因是内含子中的片段重复,所以一般是通过BAC敲入或者是病毒转染构建(也有敲除的)。因此,虽然其发现较晚,但因为其与ALS相关性目前最高,对它的研究很多。综合目前的多种实验结果,科学家们提出了三种关于C9ORF72的假说,其一是过度重复的片段造成该蛋白功能的缺失,其二是这些重复所转录的正义和反义RNA产生的毒性,其三就是这六个碱基编码的二肽重复蛋白产生的毒性。

 

就动物模型的构建方式而言,过表达ALS相关基因所造成的神经元死亡和运动障碍更加明显,可以用来模拟患者中晚期的病情(图4中绿色箭头代表),而敲入(Knock in)相关基因对小鼠所造成的影响较小,一般被认为可以模拟早中期的病情。

 

虽然与ALS相关的突变基本没有“失活(Loss Function)”型的,但基因敲除小鼠仍然是我们研究这些基因功能和ALS深层机理的重要工具。在这些基因中TDP-43纯合敲除小鼠是不可以繁衍的,其杂合子表现出一定的对运动神经元的保护作用。而SOD1基因敲除小鼠却出现了更为严重的外周神经疾病,这与SOD1的抗氧化功能是吻合的。

 

一些点突变小鼠依然可以表现出很好的ALS病理特征。如VCPR155H在老龄时有50%的运动神经元死亡,同时也能产生细胞内的TDP-43包涵体;不过行为症状上这些模型仍然有缺憾,该小鼠运动能力的减弱较轻微。

 

人源化小鼠模型随着近几年基因编辑技术的发展而成为热点,这种方法在将小鼠原有基因的位置上替换上人类的对应基因。人源化FUSδ14小鼠,会让小鼠细胞中的FUS定位发生紊乱,从而造成运动神经元的死亡。

 

如果对ALS相关模型小鼠感兴趣,可以参考2019年Giorgio发表的一篇综述[5],里面汇总了上百种ALS小鼠的表型和病理特征,算是小编目前看到最全的了。如果您需要ALS相关的小鼠模型,赛业生物一站式服务平台可以为您提供!

图4. ALS小鼠模型的应用[5]

图4. ALS小鼠模型的应用[5]

 

关于ALS的介绍就到这了,后续我们的内容将是关于多发性硬化这种神经免疫疾病的,敬请关注。

 

往期回顾

1. 赛业生物云课堂第一期:无药可救的神经退行性疾病

2. 赛业神经科学云课堂第二期:带你了解发病率第二的神经退行性疾病—帕金森综合症

3. 赛业神经科学云课堂第三期:寻找造成帕金森病的凶手,重现案发过程

4. 赛业神经科学云课堂第四期:冰桶挑战背后的神经退行性疾病——渐冻症

 

参考文献及引用图片来源:

1. Dale Purves et al. Neuroscience. Sinauer Associates. 2018. 9781605353807,1605353809

2. https://en.wikipedia.org/

3. Al-Chalabi A , Hardiman O , Kiernan M C , et al. Amyotrophic lateral sclerosis: moving towards a new classification system[J]. Lancet Neurology, 2016, 15(11):1182-1194.

4. Al Sultan A, Waller R, Heath P, Kirby J. The genetics of amyotrophic lateral sclerosis: current insights. Degener Neurol Neuromuscul Dis. 2016;6:49-64

5. Giorgio F D , Maduro C , Fisher E M C , et al. Transgenic and physiological mouse models give insights into different aspects of amyotrophic lateral sclerosis[J]. Disease Models & Mechanisms, 2019, 12(1):dmm037424.

 

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