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治疗神经系统发育障碍Rett综合征的福星——Mecp2基因敲除小鼠【每周一鼠】

 

Rett综合征(Rett syndrome, RTT)是一种X染色体连锁遗传性神经发育障碍,Mecp2基因突变是导致RTT的重要原因。该病几乎只见于女性,患者出生后,初期有短暂的正常发育,然后会丧失已获得的功能,随着生长发育出现手部刻板动作等多方面异常情况。

 

赛业生物《每周一鼠》,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小鼠模型有所帮助。今天和大家见面的是Mecp2基因编辑小鼠

 

Mecp2基因简介

 

Mecp2基因位于X染色体上,其左右相邻的基因分别为RCP和IRAK基因。在人类和大小鼠中,对该基因功能有显著影响的是第1-4号外显子和其中的3个内含子。Mecp2基因主要发挥的就是转录调节功能,在多种组织中都有表达,从而在人的生长发育过程中产生多方面异常情况。

 

Mecp2基因敲除小鼠

图1 Mecp2基因序列同源性

 

Mecp2基因敲除小鼠

图2 Mecp2基因在各组织中表达水平

 

MECP2蛋白理论上为53kd大小,不过由于其在翻译后经历过一系列的修饰作用,其分子量在免疫印迹中大多为75kd。该蛋白主要由4个功能域组成:甲基结合结构域(methyl-binding domain, MBD)、转录抑制域(transcriptional repression domain, TRD)、与NCoR(nuclear coreceptor co-repressor, NCoR)相互作用域(NCoR-interaction domain, NID)及C端结构域(C-terminal domain, CTD)。MECP2与其他甲基-DNA结合蛋白不同,因为它能够与单个对称的甲基化CpG(mCpG)位点相互作用。MECP2同时具备转录抑制和转录激活两种功能。

 

Mecp2相关疾病介绍

 

RTT是一种X连锁的神经发育障碍性遗传病,发病率约为1/15000~1/10000[3]。同时,它也是一种多发生在女性的罕见神经发育疾病,是仅次于21三体综合征引起女性、散发性严重智力障碍的主要原因之一,患病女性最长可存活60余年。研究报道,RTT患者突触功能受损,树突状结构减少,神经元成熟延迟,且多巴胺能神经元功能障碍。

 

有关症状在最初并非都会显现出来,而是通过多个阶段逐渐显现。患者在6~18个月时发育正常,拥有行走能力,部分患者甚至可以进行言语沟通。但随着年龄的增长,患者头部生长开始减缓,出现小头畸形症状,发育逐渐停滞。患者会失去手部目的性使用的能力,出现刻板的扭手或洗手动作,在某些情况下会出现无故拍手、拍打和用手掰嘴的行为。除此之外,RTT患者同时还常伴有过度换气、惊厥和呼吸暂停等表现。部分患者会对周围环境漠不关心,对社会交往反应迟钝等类似自闭症的症状,语言功能逐渐丧失,对社交产生退缩心理。

 

RTT疾病模型-Mecp2基因敲除小鼠

 

在大脑中,Mecp2的表达在发育过程中受到动态调节。此外,Mecp2的表达在不同的大脑区域以及Mecp2调控的基因之间存在差异。

 

研究人员为了确定适合研究的理想大脑区域,测量了野生型(WT)C57BL/6雄性小鼠在不同脑区(皮层、小脑、海马和下丘脑),MECP2蛋白在不同时间的表达,并将其与全脑表达进行比较(图3)。其中,p值通过Kruskal-Wallis测试和Dunn多重比较测试进行计算。结果显示,发育过程中MECP2蛋白表达发生变化,7周时MECP2蛋白在小脑中高表达。

 

Mecp2基因敲除小鼠

图3  Mecp2在小鼠4周/7周/12周龄时的表达[5]

 

图注:7周时,小脑Mecp2表达水平高峰;在4周龄和12周龄时,各区域间无显著差异。

 

研究人员对7周龄雄性Mecp2基因敲除小鼠进行RNA测序(RNAseq),并与野生型(WT)匹配对照进行比较。该实验在小脑和血液中独立进行。分组织依赖EdgeR分析显示小脑中有81个差异表达基因(DEGs),其中44个上调,37个下调(图4A)。在血液中,我们发现205个DEGs在WT和突变体之间存在显著差异:105个上调,100个下调。我们发现两种组织中的基因表达水平相似(R2 Spearman WT=0.95,R2 Spearman MUT=0.93,图2B和C)。DEGs在表达热图中显示了不同的谱图(图4D和E)。

 

Mecp2基因敲除小鼠

图4 小脑和血液中的差异表达基因(DEGs)分析结果[5]

 

作为内在对照,研究人员检测了Mecp2的表达,并证实WT和突变体之间存在较大差异:与对照组相比,Mecp2缺失的小鼠小脑的变化log2倍(log2FC)为−3.88,FDR校正的p值[假发现率(FDR)]为5.38E-27。在血液中,Mecp2显示log2FC为−2.50,FDR为4.07E-06。已知在RTT中下调的Bdnf,在小脑中log2FC为−1.25,FDR为1.05E-04,而在血液中未检测到。总之,通过对Mecp2敲除小鼠与WT小鼠的比较,揭示了血液和大脑中该基因表达的高度相关性。

 

Mecp2基因敲除小鼠

表1 小脑和血液中10个差异表达基因(DEGs),按p值排序[5]

 

以上文章通过ES打靶技术敲除Mecp2基因的Exon3-Exon4,通过与WT比较有症状,能作为RTT研究的疾病模型。赛业生物构建了同类型的基因敲除小鼠,更有C57BL/6-Mecp2em1Cya活体小鼠已加入『红鼠资源库』,快至两周发货。

 

Mecp2基因敲除小鼠

图5 Mecp2敲除小鼠打靶方案示意图

 

总结

 

针对RTT患者的治疗,目前仍缺乏有效的治疗手段,治疗方案主要是以缓解临床症状为主。通过厘清Mecp2基因与RTT之间的关系,为今后该疾病的治疗和药物筛选提供理论依据和方向,为其内在关联提供新的研究思路。

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*声明:RDDC数据和工具仅为科研使用,仅供参考,不可作为医学诊断和评判的最终定论。

 

参考文献:

[1]Robinson HA, Pozzo-Miller L. The role of Mecp2 in learning and memory. Learn Mem. 2019 Aug 15;26(9):343-350. doi: 10.1101/lm.048876.118. PMID: 31416907; PMCID: PMC6699413.

[2] CAI Run-ze, WANG Zheng-bo, CHEN Yong-chang. Mecp影响Rett综合征中代谢功能的研究进展[J].China Biotechnology, 2021,41(2/3):89-98.

[3]Zhang X Y, Bao X H, Zhang J J, et al. Molecular characteristics of Chinese patients with Rett syndrome. European Journal of Medical Genetics,2012,55(12):677-681.

[4] Kirby RS, Lane JB, Childers J, Skinner SA, Annese F, Barrish JO, Glaze DG, Macleod P, Percy AK. Longevity in Rett syndrome: analysis of the North American Database. J Pediatr, 2010, 156(1): 135–138.

[5]Albert Sanfeliu1, Karsten Hokamp, Michael Gill1, Daniela Tropea.Transcriptomic Analysis of Mecp2 Mutant Mice Reveals Differentially Expressed Genes and Altered Mechanisms in Both Blood and Brain. Frontiers in Psychiatry.29 April 2019. doi: 10.3389/fpsyt.2019.00278.

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