Tor1a-frt小鼠在肌張力障礙脊髓神經(jīng)回路缺陷關(guān)鍵影響中的作用

肌張力障礙（dystonia）是一種常見的運(yùn)動障礙，其特征是多個肌群出現(xiàn)不自主的持續(xù)肌肉收縮，表現(xiàn)為姿勢異常和動作紊亂。控制運(yùn)動的神經(jīng)回路分布在整個神經(jīng)軸中，由多個相互連接的回路組成，涉及大腦皮層、基底神經(jīng)節(jié)、丘腦、小腦、腦干和脊髓。這些回路協(xié)作后產(chǎn)生功能性運(yùn)動和行為，當(dāng)它們內(nèi)部或之間出現(xiàn)功能異常時，就會導(dǎo)致運(yùn)動障礙。

之前，肌張力障礙被認(rèn)為是基底節(jié)綜合征中的一種，但當(dāng)疾病發(fā)生時，人類或動物的基底節(jié)病變有限。因此，肌張力障礙目前被認(rèn)為是一種涉及多個腦區(qū)的神經(jīng)回路疾病。考慮到脊髓是運(yùn)動控制的最終途徑，倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員試圖確定脊髓回路功能障礙在多大程度上引起了肌張力障礙的病理生理學(xué)。

倫敦大學(xué)學(xué)院皇后廣場神經(jīng)病學(xué)研究所Robert M. Brownstone團(tuán)隊構(gòu)建DYT1-TOR1A肌張力障礙小鼠模型并開展研究，發(fā)現(xiàn)早發(fā)型全身性肌張力障礙的病理生理基礎(chǔ)在于脊髓神經(jīng)回路。這項研究成果于近日發(fā)表在《Science Translational Medicine》（科學(xué)-轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)）雜志上，為了解肌張力障礙的病理生理學(xué)提供了新視角。
 

圖片來源：《Science Translational Medicine》
（https://doi.org/10.1126/scitranslmed.adg3904）

研究材料與方法
研究人員將Tor1a-frt小鼠（由賽業(yè)生物提供）與Cdx2::FlpO小鼠雜交，構(gòu)建了DYT1-TOR1A肌張力障礙小鼠模型。他們檢測了Tor1a在小鼠多個組織中的表達(dá)，并通過電鏡觀察了torsinA功能缺失的超微結(jié)構(gòu)特征。之后，他們對小鼠開展了懸尾實驗和肌電圖分析，并對分離出的脊髓進(jìn)行了體外電生理學(xué)分析，包括自發(fā)活動分析、單突觸反射分析和膜片鉗實驗等。

技術(shù)路線
01 開發(fā)脊髓限制性條件性敲除Tor1a小鼠模型并對其進(jìn)行驗證
02 確定脊髓回路功能障礙是否會導(dǎo)致早發(fā)型全身性肌張力障礙
03 評估脊髓限制性的Tor1a敲除如何改變神經(jīng)輸出
04 從單突觸反射入手評估脊髓回路功能障礙對疾病的病理生理學(xué)影響

研究結(jié)果
1.構(gòu)建脊髓Tor1a d-cko小鼠模型
研究人員此次重點(diǎn)研究了肌張力障礙的最常見遺傳形式：早發(fā)型扭轉(zhuǎn)性肌張力障礙（DYT1-TOR1A），它通常是由TOR1A基因5號外顯子中三對堿基的框內(nèi)缺失引起的，TOR1A基因編碼產(chǎn)生了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔蛋白torsinA。于是，他們委托賽業(yè)生物構(gòu)建出Tor1a-frt小鼠，并將其與Cdx2::FlpO小鼠雜交，產(chǎn)生了雙等位基因“雙”條件性敲除Tor1a小鼠（d-cko）。通過qPCR和Western blot分析，他們發(fā)現(xiàn)Tor1a在小鼠脊髓和背根神經(jīng)節(jié)中幾乎沒有表達(dá)。

之后，他們篩選了torsinA功能異常的超微結(jié)構(gòu)特征——核膜（NE）畸形。神經(jīng)元中經(jīng)典的torsinA表達(dá)分布在整個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和核膜中，但突變的torsinA會在核膜上異常積累。從形態(tài)上看，這會導(dǎo)致核外膜突起，而且這些突起以囊泡的形式釋放。他們通過電鏡觀察到，Tor1a缺失的腰部脊髓神經(jīng)元充滿了核膜異常，后角處的部分神經(jīng)元表現(xiàn)出囊泡堆積，且核膜明顯分離，而側(cè)角處的幾乎所有脊髓神經(jīng)元都受到了影響。這些數(shù)據(jù)證實，這種新的小鼠模型將Tor1a d-cko限制在脊髓和背根神經(jīng)節(jié)，且脊髓神經(jīng)元表現(xiàn)出torsinA功能缺失的超微結(jié)構(gòu)特征。

2.脊髓Tor1a d-cko小鼠重現(xiàn)了人類疾病的表型
為了驗證脊髓Tor1a d-cko小鼠模型是否會出現(xiàn)早發(fā)型扭轉(zhuǎn)性肌張力障礙，研究人員開展了一系列實驗。他們發(fā)現(xiàn)，脊髓Tor1a d-cko小鼠重現(xiàn)了人類重癥疾病的表型，出現(xiàn)了早發(fā)型扭轉(zhuǎn)性肌張力障礙。運(yùn)動障礙很早就出現(xiàn)在小鼠后肢，之后逐漸向兩側(cè)擴(kuò)散。到第7-9天，小鼠的骨盆、軀干和前肢都出現(xiàn)了明顯的運(yùn)動障礙。到第19-21天，脊髓Tor1a d-cko小鼠出現(xiàn)了嚴(yán)重的肌張力障礙，姿態(tài)極度異常，肢體運(yùn)動紊亂（圖1）。

通過肌電圖分析，他們觀察到脊髓Tor1a d-cko小鼠在靜止時有過度的自發(fā)肌肉活動，包括拮抗肌長時間的共活動電位。同時，這些小鼠在自主運(yùn)動時表現(xiàn)出過度和無序的收縮。這些數(shù)據(jù)表明，脊髓限制性Tor1a功能障礙會直接造成早期發(fā)病的全身性肌張力障礙，其特征是靜止時持續(xù)的自發(fā)肌肉活動以及靜止和自主運(yùn)動時過度的協(xié)同收縮。
 

脊髓限制性Tor1a d-cko導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)早發(fā)型的運(yùn)動失調(diào)^[1]

接下來，研究人員需要確定，Tor1a缺失的脊髓回路是否是過度自發(fā)活動和無序運(yùn)動輸出的主要來源�？紤]到后肢是脊髓Tor1a d-cko小鼠發(fā)病的主要部位，而腰椎是控制后肢運(yùn)動的神經(jīng)中樞，他們從小鼠身上分離出腰椎脊髓，并記錄了來自伸肌和屈肌相關(guān)脊髓運(yùn)動池的電生理活動。他們發(fā)現(xiàn)，來自P3-P5脊髓Tor1a d-cko小鼠的所有離體脊髓都存在自發(fā)活動，在大部分自發(fā)活動中，伸肌相關(guān)和屈肌相關(guān)運(yùn)動池共同激活（圖2）。這些結(jié)果表明，通過肌電圖記錄到的脊髓Tor1a d-cko小鼠的自發(fā)活動可能來自脊髓回路的自發(fā)活動。

為了確定脊髓Tor1a d-cko如何從根本上改變神經(jīng)輸出，他們開展了小波變換（wavelet transformation）分析。P1期的脊髓Tor1a d-cko小鼠表現(xiàn)出高功率的頻譜，而P3期小鼠的頻譜出現(xiàn)紊亂，放電頻率下移，到了P5期，主要功率頻帶降至0.016 Hz（圖2）。這些數(shù)據(jù)揭示了Tor1a缺失的脊髓回路會直接在靜止時產(chǎn)生過度的自發(fā)活動，并在運(yùn)動時產(chǎn)生無序的運(yùn)動輸出。
 

Tor1a缺失的脊髓回路產(chǎn)生過度自發(fā)活動和無序運(yùn)動輸出^[1]

3.脊髓Tor1a d-cko小鼠出現(xiàn)脊髓單突觸反射受損
考慮到脊髓回路出現(xiàn)功能障礙，研究人員接著驗證了最基本的脊髓回路：單突觸反射。病例報告顯示，全身性肌張力障礙患者表現(xiàn)出單突觸反射幅度減弱，因此，他們系統(tǒng)評估了脊髓Tor1a d-cko小鼠在P7到P13階段的腰神經(jīng)根單突觸反射。結(jié)果顯示，這些小鼠最尾部的脊髓反射最早出現(xiàn)異常，隨著年齡的增加，單突觸脊髓反射損傷向小鼠頭部擴(kuò)散。這些數(shù)據(jù)表明，在出生后的成熟過程中，單突觸脊髓反射損傷會從尾部向頭部發(fā)展。

之后，他們從該反射弧的四個組成部分入手，深入探索了單突觸反射受損的機(jī)制。他們重點(diǎn)研究了腰椎尾部運(yùn)動池，因為它們最早受到影響。他們發(fā)現(xiàn)，脊髓Tor1a d-cko小鼠的運(yùn)動神經(jīng)元較小，全細(xì)胞電容降低，輸入電阻增加，表明腰部運(yùn)動神經(jīng)元直接受到Tor1a缺失的影響（圖3）。接下來，他們通過背根的低閾值刺激重點(diǎn)研究了傳入神經(jīng)的反射。與對照組相比，這些小鼠的傳入誘發(fā)的興奮性突觸后電流（EPSC）振幅降低，持續(xù)時間延長，并出現(xiàn)多個異步峰值�？傊�，單突觸反射弧的所有部分，從感覺傳入的動作電位傳導(dǎo)到運(yùn)動神經(jīng)元再到運(yùn)動神經(jīng)根本身的傳出輸出，都容易受到Tor1a功能缺失的影響，并導(dǎo)致Tor1a d-cko小鼠的感覺運(yùn)動整合功能受損。
 

脊髓限制性Tor1a d-cko導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)早發(fā)型的運(yùn)動失調(diào)^[1]

研究結(jié)論
總的來說，這項研究表明，脊髓回路功能障礙在DYT1-TOR1A肌張力障礙的病理生理學(xué)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。小鼠脊髓和背根神經(jīng)節(jié)中Tor1a的缺失足以重現(xiàn)人類重癥患者的表型，且進(jìn)一步分析顯示，脊髓運(yùn)動回路和單突觸反射弧在Tor1a缺失后受損，表明脊髓神經(jīng)回路的缺陷可能導(dǎo)致肌張力障礙的多個癥狀。

原文檢索：
[1]Pocratsky, A., Nascimento, F., Görkem Özyurt, M., et al. Pathophysiology of Dyt1-Tor1a dystonia in mice is mediated by spinal neural circuit dysfunction. Sci. Transl. Med. 15, eadg3904 (2023). https://doi.org/10.1126/scitranslmed.adg3904
 

Tor1a KO小鼠

品系名稱：
C57BL/6J-Tor1a^em1C/Cya
產(chǎn)品編號：
S-KO-18169
應(yīng)用方向：
神經(jīng)系統(tǒng),眼科,皮膚,遺傳,癌癥,腸胃,代謝,內(nèi)分泌,血液,肌肉

Tor1a flox小鼠