阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease,AD)是一種發(fā)病率隨年齡增長而升高的神經(jīng)退行性疾病,是繼癌癥、心血管疾病及腦卒中后致人類死亡的第四大死因。該疾病臨床上主要表現(xiàn)為以學(xué)習(xí)記憶受損為主的認(rèn)知功能障礙,除認(rèn)知功能障礙外,患者還常伴有焦慮、抑郁和冷漠等神經(jīng)精神癥狀。通常,AD 可分為早發(fā)家族性(Familial Alzheimer’s disease, FAD)和晚發(fā)散發(fā)性(Sporadic Alzheimer's disease,SAD)兩種類型。其中,SAD 主要是 AD 的非遺傳形式,約占所有 AD 患者的 95%且通常在 65 歲后發(fā)病,相比之下,F(xiàn)AD 是一種罕見的常染色體顯性遺傳性疾病,約占所有 AD 患者的 5%,一般在 65 歲前發(fā)病。
圖1:APP蛋白依次被β-分泌酶和γ-分泌酶切割,最終生成 Aβ肽段。
目前有三種基因突變已被確定為 FAD 的獨立致病因素:淀粉樣前體蛋白(Amyloid precursor protein, APP)、早老素 1(Presenilin 1,PSEN1)和早老素 2(Presenilin 2,PSEN2)。這些 FAD 連鎖突變中的每一個都可直接改變 APP 向 β 淀粉樣蛋白(Beta amyloid protein,Aβ)的生成過程,導(dǎo)致具有神經(jīng)毒性的 Aβ 斑塊的腦部沉積增加。例如早老基因表達的早老蛋白是 γ 分泌酶的重要組成元件,而 γ 分泌酶能剪切 APP 生成 Aβ(見圖1,Ref 1)。有研究發(fā)現(xiàn),早老基因的突變會引起 APP 的剪切失衡,從而產(chǎn)生更多的具有神經(jīng)毒性的 Aβ1-42(見圖2,Ref 1)。γ-分泌酶通過主要產(chǎn)生 Aβ40 和 Aβ42 來產(chǎn)生 AβC 端的長度異質(zhì)性。Aβ40 是一種由 40 個氨基酸組成的肽,是人類中最常見的 Aβ形式。Aβ42 與 Aβ40 的不同之處在于它在 C 端比Aβ40多兩個氨基酸殘基(異亮氨酸和丙氨酸),但它是毒性最強、最易聚集的 Aβ形式,是阿爾茨海默病(AD)患者大腦中沉積的主要種類??梢砸鹕窠?jīng)元發(fā)生炎癥反應(yīng)甚至凋亡,其臨床特征表現(xiàn)為記憶缺陷、認(rèn)知能力下降和神經(jīng)精神癥狀,即所謂的癡呆的行為和心理癥狀。
圖2:APP蛋白(上方)和 Aβ序列(下方)示意圖。以及各地區(qū)FAD點突變所氨基酸位點。紅色剪頭指示γ-分泌酶切割位點。
文中表1和表2分別列舉了現(xiàn)有動物模型中APP基因PSEN1基因的代表性FAD相關(guān)突變。其中,5XFAD轉(zhuǎn)基因小鼠模型是一個代表性且廣泛應(yīng)用的阿爾茨海默?。ˋD)模型,同時攜帶5個家族性AD相關(guān)突變,可快速產(chǎn)生β淀粉樣蛋白(Aβ)沉積和神經(jīng)退行性病變。5xFAD小鼠于 2006 年培育而成,在 Thy1 啟動子驅(qū)動下同時表達包含有 5 個家族性阿爾茨海默病(FAD)突變的APP和PSEN1基因。分別是3個APP基因突變+2個PSEN1基因突變:(APP KM670/671NL(瑞典)、APP I716V(佛羅里達)、APP V717I(倫敦)、PSEN1 M146L、PSEN1 L286V), 見表1。5xFAD 小鼠表現(xiàn)出顯著的淀粉樣蛋白病理,從 2-4 月齡時大腦中就會出現(xiàn)斑塊,引發(fā)強烈的小膠質(zhì)細胞反應(yīng)和炎癥過程,以及突觸和神經(jīng)元的損失。
2021年一篇發(fā)表在scientific data文章(Ref2)報道了對5XFAD模型的表型驗證,策略見圖3, 部分結(jié)果見圖4。
圖3:5xFAD 小鼠模型的表型分析流程。動物和樣本組織的MODEL-AD 表型分析流程中的處理順序,包括行為學(xué)、LTP、RNA-seq、組織學(xué)及生化檢測。
圖4:5xFAD 老年小鼠的纖維狀淀粉樣斑塊大小和數(shù)量增加。在每個時間點使用硫磺素-S(Thioflavin-S) 染色評估 5xFAD 小鼠的淀粉樣斑塊負(fù)荷。(a,b)5xFAD 小鼠代表性拼接大腦半球,分別于 4 個月、18 個月和 4 個月、8 個月、18 個月時間點進行硫磺-S 染色,并用NeuN 進行反染色。(b)5xFAD 小鼠在4個月時間點的代表性拼接全腦(從吻端到尾端)冠狀面硫磺素-S染色圖像,在 4 個月時間點進行硫磺-S 染色。(c)5xFAD 小鼠在不同時間點的斑塊代表性圖像。在 12 個月和 18 個月時表現(xiàn)出“光環(huán)”效應(yīng)(通常指密集核心斑塊周圍環(huán)繞的無定形Aβ區(qū)域)。
另一個具有代表性的小鼠模型是APPswe/PSEN1dE9小鼠,是通過共注射由小鼠朊病毒啟動子驅(qū)動的兩個載體而開發(fā)的。其中一個載體編碼攜帶瑞典(KM670/671NL)突變的 APP 基因,另一個載體編碼與 FAD 相關(guān)的 PSEN1基因,缺失第9號外顯子(deletion of exon9,dE9)。APPswe/PSEN1dE9 小鼠從6月齡出現(xiàn)Aβ沉積,到9月齡時在海馬體和皮層中變得豐富。這些沉積物被反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞包圍。在12月齡時,該模型小鼠在Morris 水迷宮測試中表現(xiàn)出空間學(xué)習(xí)記憶能力受損。
表1:代表性阿爾茨海默病模型小鼠中 APP 基因的 FAD 相關(guān)突變。
其他相關(guān)模型請見下表:
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原創(chuàng)作者:劉洋博士