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Protein & Cell:李晓江团队总结大型动物神经退行性疾病模型的相关研究

日期:2022-04-01  浏览次数:384

来源:BioArt

神经退行性疾病(阿尔兹海默症、亨廷顿舞蹈症、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症等)为何出现特定脑区的典型神经细胞死亡是神经科学领域一直关注的重点。小动物模型如最常用的小鼠模型因与人类大脑结构差异巨大,绝大多数无法模拟神经退行性病人典型神经细胞死亡的病理特征,且在小鼠脑疾病中发挥作用的药物在临床实验中多以失败而告终。


2022年3月25日,来自暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院的李晓江教授团队Protein & Cell杂志上发表题为New pathogenic insights from large animal models of neurodegenerative diseases的综述 (https://link.springer.com/article/10.1007/s13238-022-00912-8)本综述总结及回顾了利用与人类更为接近的猪、猴等大动物建立重大神经退行性疾病模型的优势及局限性。


阿尔兹海默症 (Alzheimer’s disease, AD),亨廷顿舞蹈症(Huntington’s disease) HD)、帕金森病(Parkinson’s disease, PD)、肌萎缩侧索硬化症(Amyotrophic Lateral Sclerosis,ALS)等均是因蛋白质的错误折叠而导致神经细胞死亡,是当今社会严重威胁人类健康的神经退行性疾病。这些疾病伴随年龄衰老而产生渐进性的神经细胞死亡。由于缺乏合适的动物模型进行药物筛选,目前尚无有效治疗方法。建立准确模拟疾病病理及表型的动物模型,对开发治疗疾病的有效手段至关重要。


作者首先对比小鼠、猪、猴及人类在大脑结构、发育、神经细胞数量等多方面的种属差异,总结了近年来利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术所建立的神经退行性疾病大动物(猪和猴)模型及基于这些模型研究的重要成果,以HD,PD,ALS大动物模型为例,展示大动物模型可更好地模拟病人大脑中的神经变性的重要病理特征。


例如,亨廷顿舞蹈症 (HD) 是由单基因(HTT)突变导致的神经退性疾病,含异常长的谷氨酰胺重复序列。然而,突变HTT基因敲入的小鼠模型并不表现病人脑中典型的神经细胞死亡特性。而HTT基因敲入的猪模型不仅能模拟HD病人在大脑中特异神经元死亡的典型病理特征,而且表现出类似HD的异常运动行为。更重要的是,这些病理特征及异常行为都可以遗传给后代,为治疗HD提供了新的重要动物模型。


长期以来,帕金森 (PD) 病被认为与细胞内供应能量的细胞器(线粒体)损伤有关,而PINK1作为一种线粒体膜蛋白,被招募到受损的线粒体而激活Parkin及泛素酶形成复合物,使受损线粒体能被溶酶体及时清除,从而保护神经细胞。此经典理论主要是根据大量体外实验所建立的。然而,PINK1在小鼠脑中很难检测到,PINK1敲除的小鼠无法证实上述理论也不能模拟病人脑中神经细胞死亡的病理特征。利用 CRISPR/Cas9 技术建立的PINK1 敲低非人灵长类猴模型可模拟帕金森病人神经细胞死亡病理特征,并揭示了PINK1激酶在灵长类脑中表达丰富,通过磷酸化一系列重要神经功能蛋白的来维持神经细胞的生存(图1)。因此,大动物模型的研究表明 PINK1 具有非线粒体功能的重要激酶功能,为研究 PINK1多种功能和PD提供了的新的研究方向。



图1:PINK1参与线粒体自噬功能的经典学说主要依据于大量体外培养细胞实验的结果,而非人灵长类动物实验证明PINK1主要为激酶维持神经细胞生存


TDP-43为神经退行疾病的致病蛋白,正常情况下在神经细胞核中分布,参与基因转录抑制、RNA前体剪接等重要过程。但在肌萎缩侧索硬化症(ALS)等神经病理状况中,胞核中TDP-43会转移到胞浆中,造成神经细胞毒性。然而,在小鼠模型中绝大部份TDP-43仍累积在细胞核中,无法充分模拟病人脑中TDP-43在胞浆中聚集的病理特点。可是,人和猴等高等动物中特异表达的水解酶caspase-4可以剪切TDP-43,使缺失核定位信号的TDP-43片段产物转移到胞浆中,出现类似病人中细胞浆TDP-43聚集的病理特征,这与小鼠模型中所观察到的TDP-43在细胞核中累积截然不同。并且,胞浆中TDP-43能特异性结合灵长类自噬调控多功能蛋白p62/SQSTM1 基因3’UTR中的(TG)n重复序列,促进猴SQSTM1 基因的不稳定性及影响其功能 (图2)。但小鼠中p62/SQSTM1的3’UTR区缺乏较长的(TG)n重复序列而不被TDP-43结合,又一次证明了利用非人灵长类动物模型研究神经退行性疾病的重要性。



图2:灵长类中特有的水解酶caspase-4剪切TDP-43,使缺失核定位信号的TDP-43片段产物转移到胞浆并结合p62/SQSTM1 mRNA而导致细胞浆的毒性。

作者指出小动物模型为致病机理研究及临床前治疗研究做出了重要贡献,但一些重要致病基因的表达及功能具有种属特异性,因此对于在小动物模型中无法模拟病人重要病理特征的致病基因,可考虑利用大动物模型进行研究。然而大动物模型的利用也有明显的局限性。大动物繁殖周期长,价格昂贵,基因修饰技术仍不像小动物模型建立那样完善,尤其基因编辑技术可能造成的脱靶效应及嵌合效应也会影响批量建立基因特性一致的大动物疾病模型。因此,作者还讨论了如何针对这些局限性来优化模型的建立,例如,可在成年大动物脑中直接进行基因修饰观察病理变化及进行分子机理研究,寻找关键的病理及治疗靶点等。随着单细胞分析技术,高通量数据分析,显微成像技术等新技术的不断进步发展,结合基因编辑技术的不断优化,未来会有更多能更好的模拟神经退行性疾病的大动物模型出现,为治疗神经退行性疾病提供重要的动物模型。


暨南大学粤港澳中枢神经再生研究院殷鹏研究员,李世华授,李晓江教授及杨伟莉研究员为本综述的共同作者。


原文链接:https://doi.org/10.1007/s13238-022-00912-8