Cav1基因敲除小鼠與特發(fā)性肺纖維化的介紹及應(yīng)用

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CAV-1基因簡介
Cav1基因負(fù)責(zé)編碼Caveolin-1（CAV-1）蛋白，該蛋白又被稱為窖蛋白-1，屬于嵌膜蛋白質(zhì)Caveolin家族成員之一，該家族包括3種蛋白質(zhì)，分別是Caveolin-1，Caveolin-2以及Caveolin-3。其中CAV-1蛋白由178個氨基酸組成，有兩種異構(gòu)體，分別為CAV-1α和CAV-1β。基因定位方面，在人類基因組中，CAV-1基因定位于7號染色體，對應(yīng)于小鼠染色體6E1區(qū)。CAV-1蛋白相對分子質(zhì)量約為21000-24000之間[1]。

除此之外 ，CAV-1蛋白是一個擁有著多種功能的膜信號蛋白，目前，CAV-1已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)參與包括G蛋白、酪氨酸激酶在內(nèi)的多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。最近的研究結(jié)果表明，CAV-1 可以通過調(diào)節(jié) TGF-β 信號通路促進細胞外基質(zhì)（ECM）生成，產(chǎn)生炎癥抑制，最終促進纖維化的發(fā)生。
 

表1. Caveolin家族成員間對比[1]

特發(fā)性肺纖維化（IPF）
特發(fā)性肺纖維化（IPF）是一種原因不明，與炎癥損傷有關(guān)的進行性肺纖維化疾病。在臨床中，主要癥狀為呼吸困難、咳嗽、肺功能下降。其發(fā)病機制主要與肺泡上皮細胞的損傷、成纖維細胞異常沉積以及肺異常修復(fù)有關(guān)，主要表現(xiàn)為肺間質(zhì)的異常增生、肺泡簡化、肺泡壁增厚等病理特征，會導(dǎo)致患者肺容量縮小、肺順應(yīng)性降低，并且纖維化過程幾乎不可逆[4]�；颊呱�存率較差，通常會在被確診特發(fā)性肺纖維化3-5年后死亡[5]。

目前已有眾多研究報道CAV-1與IPF之間存在密切相關(guān)性，尤其是CAV-1的缺失對于IPF的發(fā)生起著至關(guān)重要的作用，同時CAV-1的上調(diào)有助于預(yù)防IPF的發(fā)生發(fā)展，因此CAV-1未來或?qū)⒊蔀镮PF的一個潛在治療靶點。

IPF相關(guān)小鼠模型
目前最為經(jīng)典常用的IPF模型為博來霉素誘導(dǎo)損傷模型。博來霉素是一種對多種腫瘤有殺傷作用的抗腫瘤藥物，常被用于誘導(dǎo)各種纖維化模型[6]。在肺纖維化小鼠模型中，博來霉素能夠有效上調(diào)各項纖維化相關(guān)基因的表達，激活相關(guān)通路，模擬纖維化進程。

已經(jīng)有研究在博來霉素誘導(dǎo)小鼠肺損傷后的不同時間點檢測CAV-1表達的變化。結(jié)果顯示該模型從損傷后第7天到第10天出現(xiàn)纖維化，并在損傷后第14天左右纖維化程度達到峰值。研究分別在損傷后第5天（炎癥相對更活躍時）以及第7天（纖維化發(fā)展時）、第12天（接近纖維化峰值）和第28天（纖維化消退階段）檢測CAV-1表達。結(jié)果顯示在第 5、7 和 12 天，全肺裂解物中的 CAV-1 蛋白表達顯著降低，并在肺損傷后第 28 天恢復(fù)[7]。為了進一步探究CAV-1的表達下調(diào)來自于哪個細胞群體，Lin等人對肺泡不同細胞群體標(biāo)志物進行免疫熒光特異性染色，研究結(jié)果表明，在博來霉素誘導(dǎo)損傷的小鼠模型中，CAV-1的表達下調(diào)主要集中于肺泡I型上皮細胞[8]。
 

圖1. CAV-1表達下調(diào)以應(yīng)對博來霉素誘導(dǎo)的小鼠肺損傷[7]
 

圖2. 博來霉素?fù)p傷后，CAV-1主要在I型肺泡上皮細胞中的表達量下調(diào)[8]

事實上，雖然在大多研究中發(fā)現(xiàn)了CAV-1的抗纖維化作用，但仍然有研究報道CAV-1-/-小鼠表現(xiàn)出博萊霉素誘導(dǎo)損傷后纖維化程度降低[9]，因此CAV-1與IPF的關(guān)系仍然沒有確切的定論。此外，已經(jīng)有研究報道，CAV-1缺陷小鼠表現(xiàn)出不受正常調(diào)控的內(nèi)皮細胞增殖，纖維化引起的肺泡隔增厚以及免疫缺陷[10]。這些研究都預(yù)示著CAV-1與IPF之間關(guān)系密切且復(fù)雜。

特發(fā)性肺纖維化的治療
美國食品藥品監(jiān)督管理局曾于2014年批準(zhǔn)了兩款用于IPF的藥物，然而兩種藥物逆轉(zhuǎn)IPF的效果仍然不甚理想，據(jù)分析即使在美國，兩種藥物的使用率也極低。因此對于IPF目前仍然沒有有效的干預(yù)治療方式，唯一被認(rèn)為行之有效的治療方法是肺移植。因此，IPF的疾病治療靶點以及潛在藥物開發(fā)一直是科學(xué)界的研究難點和熱點。

最新研究發(fā)現(xiàn)，通過電穿孔將CAV-1過表達質(zhì)粒轉(zhuǎn)染至肺泡細胞，能夠有效地降低博來霉素誘導(dǎo)的肺纖維化程度，同時，損傷導(dǎo)致的中性粒細胞、巨噬細胞的募集也會隨之減弱[8]，這一治療方法可通過定向轉(zhuǎn)染將CAV-1過表達質(zhì)粒精準(zhǔn)遞送至肺部，避免了外科創(chuàng)傷及對其它組織器官的影響。
 

圖3. 將Cav-1的過表達質(zhì)粒通過電穿孔遞送至肺部，可有效抑制博來霉素給藥21天小鼠肺部炎癥小體的激活[8]

小結(jié)
越來越多的證據(jù)表明CAV-1在小鼠或人類特發(fā)性纖維化中起著不可或缺的關(guān)鍵性作用，尤其是CAV-1的上調(diào)對于纖維化進程的抑制對于未來IPF的預(yù)防和治療提供了全新的診療思路，甚至目前已經(jīng)有研究報道，CAV-1的衍生肽（Caveolin-1–derived peptide）已經(jīng)被證明可以有效抑制博來霉素誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化[11]，這一研究結(jié)果無疑將CAV-1作為IPF的治療靶點推向了一個新的高度，以CAV-1為靶點的治療方式或?qū)⒃诓贿h的未來被廣泛應(yīng)用。

參考文獻：
[1]張勤勤,孫潤廣,李連啟. Caveola及其蛋白家族的生物學(xué)結(jié)構(gòu)和功能的研究現(xiàn)狀[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程,2011,30(02)

[2]Vinten J, et al. Identification of a major protein on the cytosolic face of caveolae.[J]. Biochimica et biophysica acta,2005,1717(1)

[3]Woo-Kuen Lo, et al. Identification of caveolae and their signature proteins caveolin 1 and 2 in the lens[J]. Experimental Eye Research,2004,79(4)

[4]Shenderov K, et al. Immune dysregulation as a driver of idiopathic pulmonary fibrosis. J Clin Invest, 2021. 131(2).

[5]Martinez F J, et al. Idiopathic pulmonary fibrosis. Nat Rev Dis Primers, 2017. 3

[6]Zhang J, et al. Discovery of a new class of integrin antibodies for fibrosis. Sci Rep, 2021. 11(1)

[7]Sanders Yan Y, et al. Epigenetic Regulation of Caveolin-1 Gene Expression in Lung Fibroblasts.[J]. American journal of respiratory cell and molecular biology,2017,56(1)

[8]Lin X, et al. Caveolin-1 gene therapy inhibits inflammasome activation to protect from bleomycin-induced pulmonary fibrosis.[J]. Scientific reports,2019,9(1)

[9]Shivshankar P, et al. Caveolin-1 deficiency protects from pulmonary fibrosis by modulating epithelial cell senescence in mice.[J]. American journal of respiratory cell and molecular biology,2012,47(1)

[10]Drab M, et al. Loss of caveolae, vascular dysfunction, and pulmonary defects in caveolin-1 gene-disrupted mice.[J]. Science (New York, N.Y.),2001,293(5539)

[11]Amarnath S, et al. Caveolin-1–derived peptide limits development of pulmonary fibrosis.[J]. Science Translational Medicine,2019,11(522)

本文來自賽業(yè)生物(www.cyagen.com)