罕見的血液系統(tǒng)疾病及其相關(guān)基因敲除小鼠模型介紹

血液系統(tǒng)負(fù)責(zé)氧氣和營(yíng)養(yǎng)的輸送、代謝產(chǎn)物的排出、免疫細(xì)胞的運(yùn)輸和凝血，和免疫系統(tǒng)共同維持機(jī)體的健康和免疫防御。血液系統(tǒng)基因異常可能導(dǎo)致一系列免疫或血液相關(guān)的罕見疾病。

除了傳統(tǒng)的化療和造血干細(xì)胞移植等治療方法外，科學(xué)家們一直在尋找新的治療血液罕見病的方法。近年來，小鼠模型為免疫基因治療帶來了新思路，成為了研究血液罕見病的新方向。今天我們就來講講幾個(gè)罕見的血液系統(tǒng)疾病及其相關(guān)基因敲除小鼠模型。
 

血液系統(tǒng)是多種血液細(xì)胞和免疫細(xì)胞生成、成熟和運(yùn)輸?shù)膱?chǎng)所^[1]

維生素B12選擇性吸收障礙綜合征（IGS1）

維生素B12選擇性吸收障礙綜合征（IGS1）是一種由于維生素B12水平低引起的疾病。維生素B12參與紅細(xì)胞形成和大腦及中樞神經(jīng)系統(tǒng)維護(hù)，但人體只能從食物中獲取。IGS主要癥狀為巨幼紅細(xì)胞性貧血，一半以上患者存在尿蛋白現(xiàn)象。血液系統(tǒng)異常還會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、胃腸道或呼吸道感染等癥狀，以及肌張力減弱、運(yùn)動(dòng)障礙、發(fā)育遲緩或混亂等神經(jīng)系統(tǒng)缺陷，并伴有泌尿道異常^[2]。目前治療主要通過補(bǔ)充維生素B12，可短期內(nèi)改善貧血癥狀并緩解神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，但無法根治。

CUBN基因編碼的Cubilin蛋白參與從食物中攝取維生素B12到人體內(nèi)的過程。Cubilin主要存在于腎細(xì)胞和小腸細(xì)胞上，通過與Amnionless蛋白附著固定在細(xì)胞外膜。Cubilin與通過小腸和腎臟的維生素B12結(jié)合形成復(fù)合物，再被Amnionless蛋白轉(zhuǎn)移到腸細(xì)胞內(nèi)并釋放到血液中運(yùn)輸?shù)饺�身。CUBN突變導(dǎo)致Cubilin功能障礙，無法與維生素B12形成復(fù)合物，影響其吸收^[3]。在小鼠中，Cubn基因全身性敲除會(huì)導(dǎo)致胚胎期致死，胚胎發(fā)育遲緩。雖然突變體胚胎中形成了尿囊和心臟等中胚層結(jié)構(gòu)，但其他中胚層組織發(fā)育異�；蛉笔�^[4]。
 

Cubn-KO小鼠胚胎發(fā)育遲緩且缺乏體細(xì)胞^[4]

Cubn基因外胚層條件性敲除小鼠可存活且發(fā)育大體正常，但腎臟近曲小管細(xì)胞對(duì)維生素B12吸收存在明顯缺陷，導(dǎo)致血漿中維生素B12含量急劇下降并出現(xiàn)部分血液系統(tǒng)異常。此外，該小鼠體內(nèi)轉(zhuǎn)鐵蛋白和白蛋白等巨球蛋白排泄增加，導(dǎo)致蛋白尿產(chǎn)生^[5]。
 

Cubn-cKO小鼠缺乏對(duì)維生素B12的吸收^[5]

除CUBN外，AMN也是IGS致病基因之一。AMN基因編碼的Amnionless蛋白將Cubilin-維生素B12復(fù)合物轉(zhuǎn)移到腸細(xì)胞內(nèi)并釋放到血液中運(yùn)輸?shù)饺�身。此外，Amnionless蛋白還與血漿脂蛋白的組裝、重塑和清除等過程相關(guān)。AMN基因突變導(dǎo)致Cubilin-維生素B12復(fù)合物無法附著在小腸和腎臟細(xì)胞上，影響其吸收。與Cubn-KO小鼠相似，Amn基因敲除小鼠沒有羊膜，胚胎發(fā)育受損嚴(yán)重，存在胚胎致死現(xiàn)象且缺乏產(chǎn)生軀干的中胚層^[6-7]。
 

Amn全身性敲除小鼠存在嚴(yán)重胚胎發(fā)育缺陷^[7]

此外，通過胚胎干細(xì)胞（ES）技術(shù)構(gòu)建Amn缺失小鼠嵌合體可形成解剖學(xué)正常的腎臟和腸道，但小鼠表現(xiàn)出選擇性蛋白尿。在Amn缺失小鼠組織中，Cubn未能正確定位到細(xì)胞表面，Amn缺失的胚胎和成年小鼠同樣表現(xiàn)出對(duì)Cubn配體的選擇性蛋白尿^[8]。
 

Amn缺失嵌合體小鼠缺乏正確的Cubn細(xì)胞定位 ^[8]

紅細(xì)胞增多癥&貧血
紅細(xì)胞是人體內(nèi)含量最多的血細(xì)胞，主要功能是攜帶氧氣從肺部運(yùn)輸?shù)缴眢w各組織和器官，以及將二氧化碳從組織運(yùn)輸回肺部呼出。紅細(xì)胞從造血干細(xì)胞生成成熟的過程受多種細(xì)胞因子密切調(diào)控，其中紅細(xì)胞生成素（EPO）最為重要。EPO與紅細(xì)胞生成素受體（EPOR）結(jié)合激活受體，刺激多種信號(hào)通路，導(dǎo)致紅細(xì)胞形成和成熟。紅細(xì)胞生成異常會(huì)導(dǎo)致貧血、地中海貧血和紅細(xì)胞增多癥等疾病。EPOR和EPO是兩個(gè)重要的致病基因，至少16種EPOR基因突變會(huì)導(dǎo)致家族性紅細(xì)胞增多癥^[9]。大多數(shù)EPOR基因突變導(dǎo)致生成異常短的紅細(xì)胞生成素受體，使其與EPO結(jié)合后長(zhǎng)時(shí)間保持異常激活狀態(tài)，過度活躍的受體即使不需要紅細(xì)胞也會(huì)發(fā)出生產(chǎn)信號(hào)，導(dǎo)致血液中紅細(xì)胞過多。此外，EPOR完全缺失的突變也會(huì)導(dǎo)致貧血。

EPO和EPOR除促進(jìn)紅細(xì)胞生成外，還發(fā)揮促進(jìn)心臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、改善學(xué)習(xí)和記憶等非紅細(xì)胞生成功能。因此，在小鼠中，Epor全身性敲除小鼠出現(xiàn)其它系統(tǒng)障礙，表現(xiàn)出胚胎發(fā)育障礙或異常等表型，并在胚胎第11-12.5天死于子宮內(nèi)，伴有嚴(yán)重貧血。因此，Epor純合敲除小鼠不適合紅細(xì)胞增多癥研究，但可用于胚胎發(fā)育、原始造血調(diào)控和貧血方面研究^[10]。
 

Epor-KO小鼠表現(xiàn)為異常白色胚胎和血細(xì)胞減少表型^[10]

與Epor全身性敲除小鼠相似，Epo全身性敲除小鼠同樣胚胎致死，死亡前胚胎中存在嚴(yán)重造血缺陷，表現(xiàn)為胎肝中紅系祖細(xì)胞數(shù)量嚴(yán)重減少^[11]。得益于基因編輯技術(shù)，可通過Cre/Loxp系統(tǒng)構(gòu)建Epo條件性敲除小鼠，這類小鼠可存活到成年并在誘導(dǎo)后出現(xiàn)晚發(fā)型貧血表型。Cre重組酶活性表達(dá)后，Epo雜合敲除小鼠（EPO KO/flox）在3周內(nèi)發(fā)展成中度至重度貧血^[12]。
 

Epo條件性敲除小鼠Epo表達(dá)減少且紅系造血存在缺陷^[12]

血小板無力癥（GT）
血小板無力癥（GT）是一種先天性凝血異常疾病，患者受傷時(shí)血液無法正常凝結(jié)，造成血流不止。這種常染色隱性遺傳病臨床上常見自發(fā)性粘膜出血，重者可內(nèi)臟出血。治療主要依靠預(yù)防、保護(hù)、止血、血小板輸注，重癥患者需造血干細(xì)胞移植治療。GT由血小板膜糖蛋白GPⅡb（CD41/Itgb2b）和/或GPⅢa（CD61/Itgb3）數(shù)量或質(zhì)量異常導(dǎo)致，造成血小板對(duì)各種生理性誘導(dǎo)劑聚集大大減低或缺失。GPⅡb和GPⅢa基因分別編碼血小板上的糖蛋白Ⅱb和Ⅲa，兩種糖蛋白結(jié)合形成GPⅡb/Ⅲa復(fù)合物，也稱整合素αⅡbβ31。該復(fù)合體是纖維蛋白原和von Willebrand因子的受體，有助于血小板激活^[13]。

Itgb3（CD61）編碼的β3整合素在血小板聚集和血栓形成以及著床、胎盤形成、血管生成、骨重塑和腫瘤進(jìn)展等功能中起重要作用。Itgb3基因敲除小鼠可存活和生育，表現(xiàn)出GT所有主要特征，包括血小板聚集和凝塊收縮缺陷、出血時(shí)間延長(zhǎng)、皮膚和胃腸道出血，還有概率出現(xiàn)胎盤缺陷導(dǎo)致胎兒死亡、產(chǎn)后出血導(dǎo)致貧血和存活率降低等情況^[14]。同時(shí)也存在血小板計(jì)數(shù)減少、脾臟增大和髓外造血等非GT患者表型^[15]。
 

Itgb3-KO小鼠呈現(xiàn)自發(fā)出血和出血時(shí)間延長(zhǎng)等GT樣表型^[15]

Itga2b（CD41）基因編碼的整合素αIIb是經(jīng)典血小板標(biāo)志物，與整合素β3形成異二聚體，與纖連蛋白、纖維蛋白原、玻連蛋白和血管性血友病因子結(jié)合，發(fā)揮與Itgb3相似作用。但值得注意的是，Itga2b也是胚胎干細(xì)胞體外分化過程中第一個(gè)血液特異性標(biāo)志物，在早期胚胎所有造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞上表達(dá)。因此，Itga2b基因敲除小鼠除表現(xiàn)GT樣表型外，還表現(xiàn)出多系造血缺陷和造血干細(xì)胞靜止性和存活率降低等表型^[16]。
 

Itga2b（CD41）-KO小鼠全血細(xì)胞減少，造血干細(xì)胞凋亡增加^[16]

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