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【每周一鼠】很早就犯困?可能是命中注定!

【每周一鼠】很早就犯困?可能是命中注定! | 赛业生物

 

赛业生物《每周一鼠》栏目,每周五更新,为大家讲解一个小鼠模型的故事,希望对大家了解不同的疾病小鼠模型有所帮助。今天和大家见面的是Per2基因编辑小鼠

 

PER2与睡眠时相前移综合征

2017年,因发现控制昼夜节律,即生物钟的分子机制而被授予诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家(杰弗里·霍尔, 迈克尔·罗斯巴什以及迈克尔·杨)的系列工作,使节律生物学成为一个广阔而充满活力的研究领域,为人类的健康和幸福带来了深远的影响。

 

关于这三位获奖者对生物钟基因的研究,要从一个早睡早起的家族说起。这个家族成员总在晚上6、7点就睡觉,凌晨3、4点就起床。这和大部分人的生活习惯很不一样。研究发现这是由PER2基因发生突变而导致的。PER2是Period基因家族的成员,在哺乳动物大脑的主要昼夜节律起搏器-视交叉上核中以昼夜节律模式表达。

 

PER2基因突变导致的这种睡眠障碍叫做睡眠时相前移综合征,是一种睡眠时间和警觉高峰期相对于社会时钟提前几个小时的疾病。患有此症的人通常很难保持清醒,除非他们很早就睡觉,因为他们的内部时钟已经处于相对安静的状态,并且很早就醒来,在早上被认为是“正常”的时间,无法重新入睡,因为他们的内部时钟已经产生了强烈的警报信号。个人是“早起的百灵鸟”,睡眠、体温和褪黑激素节律提前 4 小时左右。

 

睡眠质量不会因该综合症而受损,但如果患者推迟就寝时间,可能会导致睡眠时间短。尽管如此,患有此症的人并没有报告该综合症影响他们白天的工作或学校活动。他们最常见的抱怨是,由于需要比正常情况早得多的睡眠时间,他们晚上的活动被缩短了,这会影响家庭和社会关系。患有此综合症的人在下午晚些时候和晚上开车时应该小心,因为他们可能太困了,他们也不能很好地适应晚上或夜班。

 

睡眠时相前移综合征在一般人群中的流行情况尚不清楚,但它在老年人中最为普遍。睡眠时相前移综合征在男性和女性中发病率相同。研究人员还发现了一种强有力的基因联系: 该疾病具有很强的家族倾向,40-50%的受影响个体的亲属患有此症,这是一种常染色体显性遗传特征。

 

PER2与肿瘤

PER2是Period基因家族的成员,该基因的多态性可能会增加患某些癌症的风险。目前研究证明:PER1和PER2在胃癌、结肠癌、头颈鳞癌、非小细胞肺癌、胰腺癌、前列腺癌、慢性淋巴细胞白血病、黑色素瘤、肝细胞癌和乳腺癌等癌症中表达显著下调。PER3在结直肠癌、头颈鳞癌、非小细胞肺癌、胰腺癌和肝细胞癌等癌症中表达显著下调。这表明PER2对正常功能是不可或缺的,而PER2表达水平的降低会促进肿瘤进展。

 

Per2基因敲除小鼠表型

昼夜节律行为[1]

有研究将纯合敲除小鼠及其野生型和杂合同窝仔单独安置在昼夜节律活动监测室中。对每只动物的轮跑活动进行监测,这是对啮齿动物昼夜节律活动的精确测量的一种方式。小鼠最初在12小时光照/12小时黑暗(LD12:12,或LD)循环中保持10天以建立夹带,随后保持在恒定黑暗(DD)中。在黑暗中22天后,将动物暴露在6小时的光脉冲下,随后在黑暗中再保持11天。野生型小鼠表现出对 LD 周期的精确夹带,并且在持续的黑暗中,它们建立了一个周期略小于24小时的昼夜节律。

 

纯合敲除小鼠的第一个表型是短昼夜节律:

在DD开始或光脉冲之后,纯合小鼠通常表现出数天的短周期。当昼夜节律在活动记录上看起来稳定时,通过对时间间隔的x2周期图分析计算周期长度。野生型对照的平均时间为23.7±0:4 h。相比之下,纯合突变体小鼠的平均周期为 22.1±0:4 h。杂合突变体的稳定期平均为 23.6±0:4 h ,这与它们的野生型同窝仔没有显着差异。因此,纯合突变体表现出明显短于其野生型兄弟姐妹的时期。

 

名词解释:夹带是内部生物钟节律(包括其相位和周期)与外部时间线索(例如自然暗光周期)的同步或对准。

图1. 小鼠代表性运动活动记录 | 赛业生物

图1. 小鼠代表性运动活动记录

 

纯合敲除小鼠的第二个表型是在持续的黑暗中丧失持续的昼夜节律:

由纯合突变体表现的短时期之后是昼夜节律的丧失。单个纯合突变体失去其昼夜节律所需的时间各不相同,根据活动图的评估,大部分时间在2到18天之间。为了量化昼夜节律,在持续黑暗的第1-10天(第一个间隔)和第6-15天(第二个间隔)对三种基因型进行了傅立叶周期图分析。对于野生型小鼠,第一个和第二个间隔的昼夜节律峰值幅度的对数平均值分别为2.72±0.14和2.80±0.17,杂合子小鼠分别是:2.85±0.08和 2.88±0.07,对于纯合突变体则分别是:2.19±0.30和1.80±0.35。对来自没有明显昼夜节律的纯合突变体的活性数据的傅立叶分析证实了昼夜节律峰的丧失,但检测到了4-8小时的周期性。

图2. 小鼠周期性的傅立叶分析 | 赛业生物

图2. 小鼠周期性的傅立叶分析

 

肿瘤抑制[2]

有研究表明新生的纯合Per2敲除小鼠在形态上是正常的。6个月大时的组织学检查大多数器官系统未发现异常,但纯合敲除的雄性和雌性开始表现出唾液腺增生和畸胎瘤,主要是雄性的表皮。到12个月大时,所有纯合敲除小鼠都表现出唾液腺增生,所有雄性纯合敲除小鼠在生殖器区域周围都出现了畸胎瘤。此外,所研究的纯合敲除小鼠中有30%在16个月大之前死亡。病理分析表明,15%的纯合敲除小鼠死于淋巴瘤。纯合敲除小鼠的瘤形成频率与野生型小鼠显着不同。因此,纯合敲除小鼠易患癌症。

图3. Per2敲除的增生生长和辐射诱导淋巴瘤

图3. Per2敲除的增生生长和辐射诱导淋巴瘤

 

在8周龄时,对野生型和纯合突变小鼠在授时因子10(ZT10)时单次给予4Gy的全身γ辐射,并监测疾病和存活情况。在照射后12周时,50%的纯合突变小鼠观察到头发变白。照射后22周时,所有受照射的纯合突变小鼠均出现白发,其中30%的小鼠背部或颈部和嘴巴周围也出现大面积脱发。受照射的纯合突变小鼠也表现出更早的增生性生长。照射后7个月,所有受照射的雄性纯合突变小鼠均观察到畸胎瘤。

图4. 突变小鼠对γ辐射的敏感性增加 | 赛业生物

图4. 突变小鼠对γ辐射的敏感性增加

 

Per2基因不仅对维持和调节生物昼夜节律具有重要作用,Per2基因的表达和节律异常改变与癌症的发生发展密切相关。对Per2基因与肿瘤发生发展的深入研究有可能为预防和治疗癌症提供新的方法和有效靶标。

 

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Per2敲除小鼠 | 赛业生物

 

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参考文献:

1. Zheng, B., Larkin, D., Albrecht, U. et al. The mPer2 gene encodes a functional component of the mammalian circadian clock. Nature 400, 169–173 (1999). https://doi.org/10.1038/22118

2. Fu L, Pelicano H, Liu J, Huang P, Lee C. The circadian gene Period2 plays an important role in tumor suppression and DNA damage response in vivo. Cell. 2002 Oct 4;111(1):41-50. doi: 10.1016/s0092-8674(02)00961-3. Erratum in: Cell 2002 Dec 27;111(7):1055. PMID: 12372299.

 

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