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【每周一鼠】常染色体显性多囊肾病小鼠模型之——Pkd1敲除小鼠

Pkd1敲除小鼠 | 赛业生物

 

赛业生物《每周一鼠》,每周更新,为大家讲解一个小鼠模型的故事,希望对大家了解不同的小鼠模型有所帮助。今天和大家见面的是Pkd1基因敲除小鼠。

 

Pkd1基因

PKD1基因(polycystin 1, transient receptor potential channel interacting),位于人类染色体16p13上,基因全长约47kb,共有46个外显子,编码4302个氨基酸残基组成的跨膜糖蛋白——多囊蛋白1(polycystin 1, PC1)。

 

PKD1基因编码的PC1蛋白可以作为受体,感受外部刺激并调节细胞溶质环腺苷一磷酸(cAMP)浓度和下游信号转导,介导细胞-细胞、细胞-细胞基质间的相互作用。PKD1基因在肾小管发育中发挥重要作用,该基因的突变与常染色体显性多囊肾病(Autosomal Dominant Polycystic Kidney Disease,ADPKD)密切相关。

表1. PKD1的基本信息 | 赛业生物

表1. PKD1的基本信息

备注:标有√的意为赛业红鼠资源库有该种保存状态的小鼠

 

常染色体显性多囊肾病

ADPKD是常见的遗传性肾病,患病率为1/400-1/1000,其主要临床特点为肾囊肿进行性扩大,并伴有高血压、血尿、尿路感染、结石或钙化等临床表征,是终末期肾病(ESRD)的第4大病因。ADPKD为常染色体显性单基因遗传病,由PKD1和/或PKD2基因突变引起。携带PKD1或PKD2基因突变的杂合患者,其子代发病概率为50%,如图1所示。

图1. ADPKD遗传家系图 | 赛业生物

图1. ADPKD遗传家系图[1]

 

PKD1和PKD2的突变分别占 ADPKD 病例的85%和15%。且PKD1突变的ADPKD患者与PKD2突变的ADPKD患者相比,病情更严重。到目前为止,人类基因突变数据库(HGMD)共记载了1177种PKD1基因突变和211种PKD2基因突变,常染色体显性多囊肾病突变数据库(PKDB)共记载了2323 种PKD1基因突变和278个PKD2基因突变。其中部分PKD1基因的绝对致病性和可能致病性变异的分布如图2所示。PKD1的致病突变类型各异,包括错义突变、无义突变、插入和缺失、剪接突变和大重排。且这些突变分布于基因的不同位置,无突变热点。

图2. PKD1蛋白结构及其绝对致病性和可能致病性变异位点示意图 | 赛业生物

图2. PKD1蛋白结构及其绝对致病性和可能致病性变异位点示意图[1]

无义突变和移码突变用箭头表示。插入缺失和剪接突变用正方形表示(G0576:c.8017-2-1delAG;G0649:c.8157-8159delCAC;G1410:c.10220+2T>C;G0053:c.10617+1delG )。可能的致病突变用三角形表示。

 

ADPKD相关小鼠模型

在Pkd1基因敲除小鼠中,纯合突变小鼠通常在婴幼儿时期死亡,肾脏和胰腺出现严重囊肿。而杂合突变小鼠在发育后期时仅在肝脏中出现少数囊肿[2]

 

Pionte等对Pkd1条件性敲除的研究表明,在出生后前13天对小鼠进行Pkd1基因敲除,会导致小鼠在 3 周内出现严重的肾囊肿。而在出生后期对小鼠进行Pkd1基因敲除,小鼠仅在5个月后才会出现囊肿。这些结果表明,Pkd1功能失活造成的病理影响取决于器官的发育完整程度[3]

 

Cabrita等证明Pkd1的缺失增加了TMEM16A和囊性纤维化跨膜电导调节剂 (CFTR)的表达以及小鼠肾脏中的氯离子分泌,而TMEM16A和CFTR分泌的跨上皮氯化物会导致囊肿增大。通过TMEM16A特异性抑制剂Ani9在体内抑制 TMEM16A,可在很大程度上减少囊肿增大和异常囊细胞增殖。该研究结果为ADPKD的治疗提供了一条新思路,同时也证实了TMEM16A是抑制ADPKD囊肿生长的一个重要的治疗靶标[4]

图3. Ani9在ADPKD小鼠模型中抑制多囊肾病 | 赛业生物

图3. Ani9在ADPKD小鼠模型中抑制多囊肾病[4]

(a) 小鼠肾脏图像,比例尺1000 µm。

(b) Pkd1-/-和用Ani9治疗的Pkd1-/-小鼠的囊性指数(%)。Ani9 减少了Pkd1-/-小鼠的囊肿生长。

 

ADPKD的诊断与治疗

ADPKD的诊断主要依靠B超、CT、MRI等技术手段进行影像学检查。诊断ADPKD的重要因素包括 ADPKD 家族史、患者年龄和双侧肾囊肿数量。当影像学结果不确定时,可以采用基因检测进行辅助诊断。

 

目前,临床中对ADPKD的治疗重点在于缓解疼痛、血尿、高血压等并发症的症状,若发展为ESRD则需采取肾移植等肾脏替代治疗。ADPKD的治疗药物目前主要有血管加压素V2受体(AVPV2R)拮抗剂托伐普坦、雷帕霉素靶蛋白(mTOR)抑制剂西罗莫司和依维莫司、生长抑素类似物(SST)奥曲肽、他汀类药物等[5]

 

小结

PKD1基因突变占ADPKD病例的比例高达85%,是ADPKD的2大主要致病基因之一。目前已报道了2000多种引起ADPKD的PKD1基因突变,且这些致病突变类型各异,分布在基因的不同位置,没有突变热点,这极大提高了对ADPKD患者进行基因分析的难度。当前,还未开发出根治ADPKD的方法,只能通过特定的药物来缓解ADPKD的并发症状。虽已有实验表明,抑制TMEM16A可极大减少小鼠的囊肿增大和增殖,这为治疗ADPKD提供了一个重要的治疗靶标。但是,以TMEM16A作为治疗靶标进行ADPKD治疗,后续还需进行临床前和临床试验中测试。

 

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红鼠资源库Pkd1敲除小鼠

 

参考文献:

[1] Liu B, Chen SC, Yang YM, et al. Identification of novel PKD1 and PKD2 mutations in a Chinese population with autosomal dominant polycystic kidney disease [published correction appears in Sci Rep. 2016;6:21578]. Sci Rep. 2015;5:17468. Published 2015 Dec 3. doi:10.1038/srep17468.

[2] Harris PC, Torres VE. Polycystic kidney disease. Annu Rev Med. 2009;60:321-337. doi:10.1146/annurev.med.60.101707.125712.

[3] Piontek K, Menezes LF, Garcia-Gonzalez MA, Huso DL, Germino GG. A critical developmental switch defines the kinetics of kidney cyst formation after loss of Pkd1. Nat Med. 2007;13(12):1490-1495. doi:10.1038/nm1675.

[4] Cabrita, I., Kraus, A., Scholz, J.K. et al. Cyst growth in ADPKD is prevented by pharmacological and genetic inhibition of TMEM16A in vivo. Nat Commun 11, 4320 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18104-5.

[5] 李聪, 吴寅, 李鹏, 张更, 李春雷. 常染色体显性多囊肾病治疗药物的研究进展[J]. 现代药物与临床, 2015, 30(9): 1167-1171.

 

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