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），人們或許會聯(lián)想到影視作品中上演的各種感人情節(jié)，但現(xiàn)實比藝術(shù)要殘忍得多，其中酸楚，我們從熱議話題#他們會忘記愛也會忘記你#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而了解其發(fā)病機制，點此回顧。今天我們針對基因編輯展開，一起盤點幾類重要的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
將朊病毒蛋白啟動子、人源APP和PSEN1基因（攜帶兩個人源突變位點:APP K670_M671delinsNL (Swedish)和PSEN1: deltaE9）轉(zhuǎn)入小鼠基因組中，該模型小鼠表現(xiàn)出隨年齡進行性的腦內(nèi)Aβ及淀粉樣斑塊表達水平升高。

該小鼠大約4月齡時可在皮質(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水迷宮中檢測出認(rèn)知缺陷在6到10個月間出現(xiàn)，并隨著年齡增長而惡化^[4]

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

該小鼠4.5個月時海馬CA1區(qū)樹突棘丟失^[6]；部分研究表明在不到六個月大時出現(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個月認(rèn)知能力開始出現(xiàn)漸進性損傷^[7]；11-13個月時小鼠大腦中出現(xiàn)大量Aβ斑塊^[8]。

3xTg-AD模型
將人源APP、PSEN1和MAPT基因（含3個突變位點:APP Swedish, MAPT P301L和PSEN1 M146V）轉(zhuǎn)入小鼠基因組中，該小鼠出現(xiàn)隨年齡進行性的腦內(nèi)Aβ及淀粉樣斑塊表達水平升高及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月齡時可觀察到皮層中細(xì)胞外Aβ沉積，12月齡時分布更加廣泛，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個突變位點：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)出隨年齡進行性的腦內(nèi)Aβ及淀粉樣斑塊表達水平升高。

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，且大鼠的體型相對較大，更方便進行手術(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)銜的團隊開發(fā)出全球首個全面模擬人類AD的大鼠模型App NL-G-F^[14]，使大鼠在攜帶了Swedish、Iberian和Arctic三個人類家族突變的同時，不改變APP蛋白及其片段在腦內(nèi)的時間和空間的表達水平。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展，也是目前唯一僅通過突變的人源化APP敲入就能同時產(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月齡可檢測到Aβ沉積的出現(xiàn)，Aβ沉積隨著年齡的增長而增加，雌鼠的病理進展速度快于雄性。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)腦室擴張，這一情況類似于AD患者，也是首次科學(xué)家在AD動物模型中觀察到腦室擴張。在12個月時，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個月時分別增加到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，同時針對研究人員的需求，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)驗證實驗的開展。
 

參考文獻
[1]Kosel F ,  Pelley J ,  Franklin T B . Behavioural and psychological symptoms of dementia in mouse models of Alzheimer's disease-related pathology[J]. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 2020, 112:634-647.

[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.

[5]https://www.jax.org/strain/005864

[6]Lanz TA, Carter DB, Merchant KM. Dendritic spine loss in the hippocampus of young PDAPP and Tg2576 mice and its prevention by the ApoE2 genotype. Neurobiol Dis. 2003 Aug;13(3):246-53. PubMed.

[7]Spires-Jones T ,  Knafo S . Spines, Plasticity, and Cognition in Alzheimer's Model Mice[J]. Neural Plasticity,2012,(2011-11-28), 2011, 2012(2090-5904):319836.

[8]Irizarry MC, McNamara M, Fedorchak K, Hsiao K, Hyman BT. APPSw transgenic mice develop age-related A beta deposits and neuropil abnormalities, but no neuronal loss in CA1. J Neuropathol Exp Neurol. 1997 Sep;56(9):965-73. PubMed.

[9]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.

[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.

[11]Richard BC, Kurdakova A, Baches S, Bayer TA, Weggen S, Wirths O. Gene Dosage Dependent Aggravation of the Neurological Phenotype in the 5XFAD Mouse Model of Alzheimer's Disease. J Alzheimers Dis. 2015;45(4):1223-36. PubMed.

[12]Jawhar S, Trawicka A, Jenneckens C, Bayer TA, Wirths O. Motor deficits, neuron loss, and reduced anxiety coinciding with axonal degeneration and intraneuronal Aβ aggregation in the 5XFAD mouse model of Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 2012 Jan;33(1):196.e29-40. PubMed.

[13]Giannoni P, Arango-Lievano M, Neves ID, Rousset MC, Baranger K, Rivera S, Jeanneteau F, Claeysen S, Marchi N. Cerebrovascular pathology during the progression of experimental Alzheimer's disease. Neurobiol Dis. 2016 Apr;88:107-17. Epub 2016 Jan 8 PubMed.

[14]Pang K, Jiang R, Zhang W, Yang Z, Li LL, Shimozawa M, Tambaro S, Mayer J, Zhang B, Li M, Wang J, Liu H, Yang A, Chen X, Liu J, Winblad B, Han H, Jiang T, Wang W, Nilsson P, Guo W, Lu B. An App knock-in rat model for Alzheimer's disease exhibiting Aβ and tau pathologies, neuronal death and cognitive impairments. Cell Res. 2022 Feb;32(2):157-175. Epub 2021 Nov 17 PubMed.