AD大小鼠基因編輯模型助力解密阿爾茨海默癥的研究

關(guān)于阿爾茨海默癥（Alzheimer’s disease, AD），人們或許會(huì)聯(lián)想到影視作品中上演的各種感人情節(jié)，但現(xiàn)實(shí)比藝術(shù)要?dú)埲痰枚�，其中酸楚，我們從熱議話題#他們會(huì)忘記愛也會(huì)忘記你#可以窺見一二。

當(dāng)前，阿爾茨海默癥獲批的部分藥物并無緩解疾病進(jìn)程的作用。上一期「神經(jīng)疾病研究」系列文章中提到，研究人員通過構(gòu)建一系列AD動(dòng)物模型，包括衰老類小鼠、Aβ誘導(dǎo)AD模型以及基因編輯等，用以模擬已知的病理特征進(jìn)而了解其發(fā)病機(jī)制，點(diǎn)此回顧。今天我們針對(duì)基因編輯展開，一起盤點(diǎn)幾類重要的AD大小鼠模型：

• AD小鼠基因編輯模型——APP/PS1、Tg2576等
• AD大鼠基因編輯模型——App NL-G-F
• 其他神經(jīng)疾病模型推薦

 

另外，為正在從事神經(jīng)疾病相關(guān)研究的你

AD小鼠基因編輯模型
在現(xiàn)階段研究中，所使用到的AD小鼠基因編輯模型主要是將人類AD相關(guān)基因通過轉(zhuǎn)基因的手段轉(zhuǎn)入小鼠基因組中。目前相關(guān)文獻(xiàn)中使用頻率較高的小鼠模型依次是APP/PS1、Tg2576、3xTg-AD、5xFAD^[1]。

APP/PS1模型
將朊病毒蛋白啟動(dòng)子、人源APP和PSEN1基因（攜帶兩個(gè)人源突變位點(diǎn):APP K670_M671delinsNL (Swedish)和PSEN1: deltaE9）轉(zhuǎn)入小鼠基因組中，該模型小鼠表現(xiàn)出隨年齡進(jìn)行性的腦內(nèi)Aβ及淀粉樣斑塊表達(dá)水平升高。

該小鼠大約4月齡時(shí)可在皮質(zhì)中觀察到淀粉樣斑塊，6月齡可在海馬體中觀察到淀粉樣斑塊^[2]，淀粉樣斑塊沉積存在腦區(qū)差異，皮質(zhì)中的斑塊密度高于海馬體和杏仁核中的斑塊密度^[3]；Morris水迷宮中檢測(cè)出認(rèn)知缺陷在6到10個(gè)月間出現(xiàn)，并隨著年齡增長(zhǎng)而惡化^[4]

Tg2576模型
將人源APP基因（攜帶一個(gè)人源突變位點(diǎn):APP K670_M671delinsNL (Swedish)）轉(zhuǎn)入小鼠基因組中，小鼠產(chǎn)生隨年齡進(jìn)行性的腦內(nèi)Aβ及淀粉樣斑塊表達(dá)水平升高。

該小鼠4.5個(gè)月時(shí)海馬CA1區(qū)樹突棘丟失^[6]；部分研究表明在不到六個(gè)月大時(shí)出現(xiàn)學(xué)習(xí)能力、情境恐懼條件反射和工作記憶能力受損，但其認(rèn)知能力正常；12個(gè)月認(rèn)知能力開始出現(xiàn)漸進(jìn)性損傷^[7]；11-13個(gè)月時(shí)小鼠大腦中出現(xiàn)大量Aβ斑塊^[8]。

3xTg-AD模型
將人源APP、PSEN1和MAPT基因（含3個(gè)突變位點(diǎn):APP Swedish, MAPT P301L和PSEN1 M146V）轉(zhuǎn)入小鼠基因組中，該小鼠出現(xiàn)隨年齡進(jìn)行性的腦內(nèi)Aβ及淀粉樣斑塊表達(dá)水平升高及Tau蛋白異常聚集所形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)。

該小鼠表現(xiàn)出與年齡相關(guān)的進(jìn)行性淀粉樣斑塊沉積和Tau蛋白異常聚集所形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)。6月齡時(shí)可觀察到皮層中細(xì)胞外Aβ沉積，12月齡時(shí)分布更加廣泛，且可明顯觀察到Tau蛋白異常聚集所形成的神經(jīng)纖維纏結(jié)。3-6月齡可觀察到學(xué)習(xí)認(rèn)知能力的下降^[9-10]。

5xFAD模型
將人源APP和PSEN1基因（含5個(gè)突變位點(diǎn)：APP K670_M671delinsNL (Swedish), APP I716V (Florida), APP V717I (London), PSEN1 M146L (A>C), PSEN1 L286V）轉(zhuǎn)入小鼠基因組中，該模型小鼠將表現(xiàn)出隨年齡進(jìn)行性的腦內(nèi)Aβ及淀粉樣斑塊表達(dá)水平升高。

該小鼠淀粉樣斑塊病理特征出現(xiàn)極早（2-4月齡階段均有報(bào)道），且分布腦區(qū)較廣，在海馬體、皮質(zhì)、丘腦和脊髓中均觀察到淀粉樣斑塊^[11-13]。6-12月齡出現(xiàn)學(xué)習(xí)認(rèn)知能力及工作記憶能力受損^[7]。

AD大鼠基因編輯模型
雖然大部分小鼠模型可以觀察到Aβ蛋白的沉積，卻沒有出現(xiàn)其他病理特征，如Tau蛋白異常磷酸化導(dǎo)致的神經(jīng)原纖維纏結(jié)，于是有學(xué)者將目光投向了大鼠模型。與小鼠相比，AD相關(guān)基因（如MAPT）在大鼠中的多態(tài)性與人類更接近，且大鼠的體型相對(duì)較大，更方便進(jìn)行手術(shù)取材操作以及某些稀有樣本（如腦脊液樣本）的收集。

App NL-G-F Knock-in Rat模型
2021年，清華大學(xué)著名神經(jīng)科學(xué)家魯白教授領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全球首個(gè)全面模擬人類AD的大鼠模型App NL-G-F^[14]，使大鼠在攜帶了Swedish、Iberian和Arctic三個(gè)人類家族突變的同時(shí)，不改變APP蛋白及其片段在腦內(nèi)的時(shí)間和空間的表達(dá)水平。與其他模型相比，該模型顯示出與人類更相似的病理和疾病進(jìn)展，也是目前唯一僅通過突變的人源化APP敲入就能同時(shí)產(chǎn)生Aβ聚集和Tau相關(guān)病理表型的嚙齒類模型。

純合子大鼠中1月齡可檢測(cè)到Aβ沉積的出現(xiàn)，Aβ沉積隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，雌鼠的病理進(jìn)展速度快于雄性。與野生型大鼠相比，App NL-G-F大鼠的腦重量減輕，海馬體和皮層中的神經(jīng)元丟失，側(cè)腦室擴(kuò)張，這一情況類似于AD患者，也是首次科學(xué)家在AD動(dòng)物模型中觀察到腦室擴(kuò)張。在12個(gè)月時(shí)，純合敲入大鼠的海馬神經(jīng)元比野生型大鼠少30%，腦重量低9%，這些差異在50個(gè)月時(shí)分別增加到16%和22%。在5-7月齡可觀察到學(xué)習(xí)能力和認(rèn)知能力受損；在6月齡后其Tau蛋白的磷酸化水平升高，12月齡后可觀察到Tau蛋白的聚集。
 

App NL-G-F大鼠模型病理特征的時(shí)間分布^[14]

神經(jīng)疾病小鼠模型推薦
不僅僅是阿爾茨海默癥，包括亨廷頓癥、漸凍癥等神經(jīng)退行性疾病的療法開發(fā)都依舊乏善可陳。針對(duì)此類神經(jīng)疾病，賽業(yè)生物開發(fā)了一系列基因編輯小鼠模型，同時(shí)針對(duì)研究人員的需求，也可定制或合作開發(fā)基因編輯小鼠模型，如基因敲除、基因敲入、點(diǎn)突變、人源化小鼠模型及大小鼠手術(shù)疾病模型，加速神經(jīng)藥效學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的開展。
 

參考文獻(xiàn)
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[2]Minkeviciene R, Ihalainen J, Malm T, Matilainen O, Keksa-Goldsteine V, Goldsteins G, Iivonen H, Leguit N, Glennon J, Koistinaho J, Banerjee P, Tanila H. Age-related decrease in stimulated glutamate release and vesicular glutamate transporters in APP/PS1 transgenic and wild-type mice. J Neurochem. 2008 May;105(3):584-94. PubMed.

[3]Minkeviciene R, Rheims S, Dobszay MB, Zilberter M, Hartikainen J, Fülöp L, Penke B, Zilberter Y, Harkany T, Pitkänen A, Tanila H. Amyloid beta-induced neuronal hyperexcitability triggers progressive epilepsy. J Neurosci. 2009 Mar 18;29(11):3453-62. PubMed.

[4]Minkeviciene R, Ihalainen J, Malm T, Matilainen O, Keksa-Goldsteine V, Goldsteins G, Iivonen H, Leguit N, Glennon J, Koistinaho J, Banerjee P, Tanila H. Age-related decrease in stimulated glutamate release and vesicular glutamate transporters in APP/PS1 transgenic and wild-type mice. J Neurochem. 2008 May;105(3):584-94. PubMed.

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[10]Billings LM, Oddo S, Green KN, McGaugh JL, LaFerla FM. Intraneuronal Abeta causes the onset of early Alzheimer's disease-related cognitive deficits in transgenic mice. Neuron. 2005 Mar 3;45(5):675-88. PubMed.

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