动脉粥样硬化模型之Ldlr敲除小鼠

LDLR基因

LDLR（low density lipoprotein receptor），中文名低密度脂蛋白受体，是一种膜镶嵌式蛋白质，属于低密度脂蛋白受体家族。LDLR调控低密度脂蛋白（LDL）的胞吞作用，其主要结合血浆中的胆固醇脂蛋白LDL，并通过内吞作用将其运输到细胞中。

受体-配体复合物通过网格蛋白包被小泡进行内吞作用。LDL 颗粒在内化后触发三个步骤：1） 降低 3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶 A 还原酶 （HMGCR） 的基因表达以抑制胆固醇生物合成；

2）增强酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶（ACAT）的活性，减少有害的游离胆固醇；

3） 通过 SREBP 抑制 LDLR 合成以减少 LDL 摄取。

LDLR基因家族由参与受体介导的特定配体内吞作用的细胞表面蛋白组成。LDLR的突变导致常染色体显性遗传病-家族性高胆固醇血症。LDLR基因位于人类19号染色体上，基因全长约44.3kb，共有18个外显子，氨基酸数量为 860个。大量研究表明，该基因与动脉粥样硬化（atherosclerosis）密切相关。

表1. LDLR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

动脉粥样硬化

动脉粥样硬化（Atherosclerosis）是一种慢性炎症性疾病，其特征是脂质和纤维成分在大动脉壁中积聚。低密度脂蛋白胆固醇 （Low-Density Lipoprotein Cholesterol, LDL-C） 水平是动脉粥样硬化发展的独立危险因素。血流动力学被认为是决定血管部位对动脉粥样硬化的易感性的关键因素[1]。小鼠模型在与低剪切或流动中断相关的易感部位可重复出现动脉粥样硬化病变，尤其是主动脉的曲率和分支点。动脉粥样硬化发生在动脉树中层流被破坏的部位。如图1所示血管床中的病变：病变开始为脂肪纹（a）可发展为中度病变（b）然后发展为易损病变（c）最后发展为晚期阻塞性病变（d）^[2]。

图1. 动脉粥样硬化的发生和进展^[2]

LDLR基因与动脉粥样硬化

LDLR是一种细胞膜糖蛋白，其在循环的含胆固醇脂蛋白颗粒的结合和内化中起作用。LDLR是维持哺乳动物胆固醇稳态的关键受体，其介导的内吞作用对于脂蛋白和脂质代谢至关重要。家族性高胆固醇血症（Familial hypercholesterolemia, FH）是由缺乏功能性Ldlr引起的。其中，杂合子 FH 的患病率为 1:500，纯合子 FH 的患病率为百万分之一^[3] 。Ldlr突变纯合子患者的血清 LDL 水平高达 800 mg/dL，并且显示出胆固醇介导的动脉粥样硬化斑块在冠状动脉、主动脉和主动脉瓣中广泛积累。与一般人群相比，杂合子Ldlr突变携带者的血浆LDL浓度通常会升高两倍，冠状动脉疾病的风险也会增加两倍。大约50%的杂合子FH患者在40岁或50岁期间会发展为各种形式的心血管疾病。

根据编码蛋白的功能特征，Ldlr突变可分为五类：

1） 导致受体合成缺陷的无效等位基因；

2） 转运缺陷等位基因，其受体靶向细胞表面有缺陷；

3） 编码不能结合配体的蛋白质的结合缺陷等位基因；

4） 内化缺陷的等位基因，这些基因编码的蛋白质不能与网格蛋白包被小泡相互作用；

5） LDLR没有被正常地运输至细胞表面。 

Ldlr敲除小鼠模型

为了研究动脉粥样硬化病变随时间的发生发展，在0到12个月的不同时间段，解剖喂食高脂或正常日粮的 Ldlr敲除小鼠（Ldlr^-/-）的全长主动脉并用苏丹 IV 染色。如图 2 所示， 0 个月时，高脂日粮饲喂的Ldlr^-/-小鼠中仅观察到轻微受损（< 2% 的管腔面积）。3个月后，Ldlr^-/-小鼠主动脉窦、主动脉弓或无名动脉中表现出轻微的损伤。前3个月动脉粥样硬化病变发展相对缓慢，随后几个月其病变发展进程逐渐加快，并在第 6 个月和第9个月扩展到胸主动脉和腹主动脉区域。在高脂日粮饲喂12个月后，Ldlr^-/-小鼠的管腔面积被融合病灶占据^[3]。

图2. 高脂饮食饲喂Ldlr敲除小鼠的动脉粥样硬化病变进展和位置^[3]

横断面分析能够提供有关病变厚度及其细胞组成的更多信息。饲喂高脂日粮的0至12个月期间，采集Ldlr^-/-小鼠的主动脉窦的切片并用油红O染色以检测血管脂质。饲喂正常日粮的小鼠在瓣膜附着位点附近没有或没有显示出小的脂质负载细胞。随着高脂日粮饲喂时间的增加，病变进展为多层泡沫细胞沉积、纤维帽病变。

图3. 高脂饮食饲喂Ldlr敲除小鼠的主动脉窦病变形态^[3] 

目前，动脉粥样硬化的特点是动脉壁增厚，是冠状动脉疾病和脑血管疾病的主要原因，这两种疾病是全世界最常见的疾病和死亡原因。肝细胞表面存在的功能性LDL受体的数量是影响血浆 LDL 浓度的最重要因素之一。因此，亟需更深入地了解动脉粥样硬化的分子发病机制，有助于找到新的治疗靶点，助力临床药物研发。

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参考文献：

1. Rader, D. J. & Daugherty, A. Translating molecular discoveries into new therapies for atherosclerosis. Nature 451, 904-913, doi:10.1038/nature06796 （2008）.

2. Representatives of the Global Familial Hypercholesterolemia, C. et al. Reducing the Clinical and Public Health Burden of Familial Hypercholesterolemia: A Global Call to Action. JAMA Cardiol 5, 217-229, doi:10.1001/jamacardio.2019.5173 （2020）.

3. Ma, Y. et al. Hyperlipidemia and atherosclerotic lesion development in Ldlr-deficient mice on a long-term high-fat diet. PLoS One 7, e35835, doi:10.1371/journal.pone.0035835 （2012）.