靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型為ALS/FTD臨床診斷和致病機(jī)制研究詳解

近日，省部共建非人靈長(zhǎng)類生物醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/昆明理工大學(xué)靈長(zhǎng)類轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院牛昱宇/季維智課題組與美國(guó)麻省總醫(yī)院的高光坪團(tuán)隊(duì)在Neurobiology of Disease上聯(lián)合發(fā)表了題為“C9orf72 poly(PR) aggregation in nucleus induces ALS/FTD-related neurodegeneration in cynomolgus monkeys”的研究成果。該研究在非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物中表達(dá)C9orf72基因G4C2重復(fù)擴(kuò)增突變產(chǎn)生的五種致病二聚體多肽蛋白之一的Poly(PR)（精氨酸-脯氨酸二聚體多肽），證明其能夠?qū)е聞?dòng)物表現(xiàn)出典型的ALS/FTD癥狀，通過(guò)對(duì)腦脊液中生化物的縱向追蹤發(fā)現(xiàn)Cystatin C and Chitinase-1的表達(dá)與疾病進(jìn)程相關(guān)，發(fā)現(xiàn)Poly(PR)在核內(nèi)聚集影響了MECP2蛋白的表達(dá)是可能的關(guān)鍵致病機(jī)制。

肌萎縮側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS）是一種致死性神經(jīng)退行性疾病，主要累及運(yùn)動(dòng)皮層和脊髓的上、下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。臨床癥狀表現(xiàn)為漸進(jìn)性的肌肉萎縮無(wú)力和延髓麻痹，因此患者又被稱為“漸凍人”。C9orf72基因GGGCC（G4C2）重復(fù)擴(kuò)增是ALS最常見(jiàn)的原因[1]，這種重復(fù)擴(kuò)增同樣與額顳葉癡呆（Frontotemporal Dementia, FTD）的發(fā)病有關(guān)[2]。C9orf72突變的攜帶者可能發(fā)展為伴有或不伴有明顯ALS的FTD（C9-ALS/FTD）。但目前對(duì)C9orf72基因突變引起ALS/FTD的致病機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍然十分有限，更沒(méi)有靶向病因的根本性有效治療手段。其關(guān)鍵原因是，該基因突變導(dǎo)致的致病因素復(fù)雜，缺少基于關(guān)鍵因素構(gòu)建的符合臨床疾病表型特征的靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型，影響了疾病進(jìn)程追蹤、關(guān)鍵生物標(biāo)志物和致病要素篩查以及神經(jīng)退行病變機(jī)制研究。

研究人員分別將攜帶編碼致病和非致病Poly(PR)的scAAV病毒導(dǎo)入到食蟹猴大腦皮層（M1和PFC）、腦室和脊髓（Cervical和Lumbar）中。組織學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)致病型二聚體多肽蛋白(PR)50和非致病型(PR)5成功表達(dá)并聚集在感染細(xì)胞的核內(nèi)（圖1）。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)相較于2個(gè)月，病毒注射12個(gè)月后(PR)50陽(yáng)性細(xì)胞數(shù)量顯著減少，提示其對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的毒性作用，這與臨床上的病理學(xué)表現(xiàn)一致。模型動(dòng)物表型追蹤發(fā)現(xiàn)，表達(dá)(PR)50的動(dòng)物表現(xiàn)出漸進(jìn)性的肌肉萎縮和行為學(xué)異常，如運(yùn)動(dòng)減少、利手改變、工作記憶減退等，肌肉電生理和病理檢測(cè)發(fā)現(xiàn)臨床ALS樣神經(jīng)源性肌肉病變，提示Poly(PR)的關(guān)鍵致病作用。

圖1 Poly(PR)s-AAV的導(dǎo)入和表達(dá)

研究人員發(fā)現(xiàn)表達(dá)(PR)50的動(dòng)物中樞系統(tǒng)內(nèi)存在較強(qiáng)的小膠質(zhì)細(xì)胞激活。神經(jīng)組織中，神經(jīng)細(xì)胞出現(xiàn)異常脂褐質(zhì)累積，并且有髓細(xì)胞發(fā)生顯著的脫髓鞘現(xiàn)象。對(duì)導(dǎo)入Poly(PR)s-AAV動(dòng)物的腦脊液中進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)Cystatin C水平呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，而Chitinase-1（CHIT1）水平一直處于高表達(dá)水平。通過(guò)對(duì)感染神經(jīng)組織的蛋白組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，(PR)50動(dòng)物腦內(nèi)Cystatin C和Chitinase-1具有較高表達(dá)水平，提示腦脊液內(nèi)相關(guān)蛋白水平變化的來(lái)源。另外，組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)核內(nèi)失調(diào)蛋白中MECP2蛋白表達(dá)顯著下調(diào)，并得到免疫印跡實(shí)驗(yàn)證實(shí)，提示與(PR)50表達(dá)相關(guān)。

圖2. 模型動(dòng)物腦組織蛋白組學(xué)分析和腦脊液生物標(biāo)志物分析

本研究通過(guò)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)表達(dá)C9orf72基因相關(guān)Poly(PR)成功在靈長(zhǎng)類動(dòng)物中誘導(dǎo)產(chǎn)生ALS/FTD樣病理和行為特征，說(shuō)明Poly(PR)在C9orf72基因突變中的關(guān)鍵致病作用。研究發(fā)現(xiàn)Cystatin C and Chitinase-1具有C9-ALS/FTD生物標(biāo)志物潛力， MECP2蛋白失調(diào)可能與Poly(PR)在核內(nèi)的聚集以及特異的有髓鞘神經(jīng)元丟失相關(guān)。

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