清华新闻网11月25日电 很少有疾病能比阿尔茨海默氏症(AD)更能引起人们的恐惧和无奈。在过去的一个多世纪,研究人员已经开展了400多项AD药物临床试验,但迄今为止尚无一个治本(阻止疾病进程)的药物可用。究其原因,很重要的一条是AD动物模型不能模拟人类AD病人的真实情况,从而导致有很多候选药物在动物模型中有效,但在AD病人的临床试验中则无效。在过去的25年,科学家们相继建立了200多个AD动物模型,但由于设计或技术方面的缺陷,迄今未能获得一个真正能够全面反映人类AD病理表型和疾病机制的动物模型,这在很大程度上妨碍了对AD的研究和临床药物开发。建立人源化、能够全面模拟人类AD的动物模型,一直是AD领域机制研究和药物开发亟需解决的一大难题。
近日,由著名神经科学家、清华大学药学院教授鲁白领衔的团队,在该领域实现了重大突破,成功开发了能够全面模拟AD的基因敲入大鼠模型,相关成果日前以长文的形式在线发表在《细胞研究》(Cell Research)期刊上。
大脑中淀粉样蛋白的沉淀(Aβ)被认为是AD病人的主要病理表现和主要病因。而Aβ的前体App基因的一些突变,会大大加速Aβ沉淀。因此,以往绝大多数的AD模型,采用各种各样的转基因技术,将不同突变型的App基因表达在小鼠中。而转基因技术有一系列不可避免的的缺陷:将人类App突变基因随机插入小鼠的染色体中,可能破坏插入处小鼠自身正常基因的表达;导致基因表达在错误的脑区,错误的细胞,或者错误的时间等;最大的缺陷是导致App的过量表达并被酶切成Aβ和一些非生理的蛋白片段,它们会扰乱小鼠的正常生理功能,导致了与AD无关的表型。
在这项研究中,鲁白教授团队刻意避免使用转基因技术,而采用了CRISPR/Cas9基因敲入技术,在大鼠体内实现了人源App基因的替换,同时携带了三个人类家族突变(AppNL-G-F),而不改变App蛋白及其片段在脑内的时间和空间的表达水平。系统的病理学,细胞生物学和行为学研究表明,该模型与现有其他AD动物模型相比,显示出与人类AD患者更相似的病理和疾病进展。
图1:突变引入到App第16和17外显子。突变的位点和突变位点的作用在氨基酸序列中进行了示意。
据该论文的第一作者逄克亮博士介绍,在大鼠中实现人源App基因的替换并同时进行多个家族突变的原位敲入很具挑战。由于上述三个家系突变分布在App基因的两个外显子上,将它们同时准确无误地敲入基因组并实现人源化,其成功率很低。公开文献显示,国际上有诺贝尔奖获得者在内的多个团队曾试图进行类似App突变的敲入,均未成功。而鲁白团队也是在200多个App突变敲入大鼠系中,才筛选到了一个准确的AppNL-G-F敲入大鼠。
研究人员在对该AppNL-G-F大鼠中App蛋白和多个酶切片段进行了详细分析,发现人源App基因的替换,既解决了传统转基因模型常见的Aβ过表达和非生理分布缺陷,又避免了基因随机插入对原位基因表达的破坏性导致的死亡,因此更准确地模拟了AD大脑中病理发生机制。
在AD病人大脑中,有异常高的磷酸化tau蛋白以低聚物纤维形式存在。但在以往几乎所有的App小鼠模型中都缺少tau病理表型。鲁白团队用4种方法证明,该大鼠模型大脑有类似于人类的高磷酸化的tau,以及病理性tau蛋白聚合物。该结果揭示了Aβ病理和tau病理其潜在关系,为Aβ致病假说提供了强有力的证据,也为继续深入研究其中的机制提供了方向。
人类AD大脑的第三个显著变化是神经细胞的死亡和大脑萎缩(表现为脑室扩张)。而以往的AD动物模型都不能模拟大脑萎缩这一关键疾病进展,即使细胞死亡也罕有报道。鲁白团队在AppNL-G-F大鼠中发现了程序性凋亡和程序性坏死两种发生于AD病人中的主要细胞死亡形式,并随着疾病的进展表现出了脑组织重量减轻和脑室的扩张,这也是科学家首次在人类AD以外的动物模型中观察到脑室的扩张。从AD发现至今100多年,但科学家们却一直没有找到AD患者神经元死亡的确切原因,该AppNL-G-F大鼠为研究这一问题提供了工具。
图2.显示大鼠模型为研究AD的不同层次的发病机制,AD早期诊断的敏感生物标记物发现和创新药物的疗效等,提供了不可或缺的工具
用基因敲入的方法建立AD动物模型,并非没有被尝试过。2014年,日本科学家Saido研究组用几乎完全相同的策略,制作了基因敲入型AppNL-G-F小鼠模型。鲁教授团队将其研发的AppNL-G-F大鼠与Saido的AppNL-G-F小鼠做了头对头的比较研究。一个令人惊叹的结果是,与AppNL-G-F大鼠不同,该小鼠模型欠缺AD患者大脑中的最关键的病理表现,即tau蛋白病理、神经细胞的持续性死亡,及其导致的脑萎缩(表现为脑室扩张)。该结果提示AppNL-G-F大鼠是更接近人类AD的动物模型。
此外,研究人员发现在AppNL-G-F大鼠脑中胶质细胞的显著活化。尤为重要的是,小胶质细胞和星形胶质细胞在Aβ斑块周围聚集,这反映了与AD患者大脑类似。其次,发现该大鼠模型大脑有类似人类AD的突触损伤和脑区特征。该AppNL-G-F大鼠动物模型的建立,将成为验证目前公认的基于突触修复的新型治疗策略的有效工具。
最后,研究人员通过多种行为实验范式,发现该模型大鼠全方位地出现了人类AD的多种记忆障碍。尤为重要的是,研究人员用一种精巧的更接近于人类行为的触屏技术,证明AppNL-G-F大鼠具有明显的情景记忆障碍。情景记忆的缺失是AD患者最早也是最为常见的行为表现,但在小鼠模型中应用触屏技术却很难。因此,该研究结果也展示了大鼠AD模型的另一优越性。
这项研究由清华大学药学院鲁白教授和逄克亮博士发起并领导。逄克亮博士为该论文第一作者,鲁白团队副研究员郭炜博士为共同通讯作者,联合瑞典卡洛琳斯卡医学院佩尔·尼尔森(Per Nilsson)研究组、中科院心理学研究所王玮文研究组、中科院自动化研究所蒋田仔研究组和韩华研究组等多个科学家团队通力合作,历时数载,才成功地建立了全世界领先的AD模型。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41422-021-00582-x
供稿:药学院
标题图设计:赵存存
编辑:李华山
审核:吕婷
2021年11月25日 09:00:38
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
药学院鲁白团队开发出全球首个全面模拟人类阿尔茨海默症的大鼠模型
本站小编 Free考研考试/2021-12-20
相关话题/基因 人类 动物 病理 细胞
清华大学区域发展研究院、中国发展规划研究院联合发布《长三角地区人类发展进程报告(2010-2020)》
清华新闻网11月2日电10月31日,清华大学区域发展研究院、中国发展规划研究院在上海清华国际创新中心联合举办《长三角地区人类发展进程报告(2010-2020)》发布会。清华大学区域发展研究院常务副院长、中国发展规划研究院执行副院长,清华大学公共管理学院教授杨永恒在线出席发布会并解读报告。发布会由清华 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20医学院胡小玉课题组发文揭示肠道上皮细胞转录延伸因子复合物NELF维持上皮屏障功能的新机制
清华新闻网10月28日电上皮组织是哺乳动物隔离外界环境的第一道防线,而由肠道上皮细胞构成的肠道黏膜屏障可以帮助机体把肠腔环境中的病原体或共生微生物隔离开来。除了产生黏液层,这些肠上皮细胞构成一个连续的物理屏障,由紧密连接(tightjunctions)、粘着连接(adherensjunctions) ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20自动化系谢震研究成果获国内首个“合成基因线路精准调控”临床试验批件
清华新闻网10月25日电10月14日,清华大学自动化系、信息国家研究中心谢震课题组与北京合生基因科技有限公司共同研发的基因治疗产品SynOV1.1获得中国国家药品监督管理局(NMPA)一期临床试验许可,用于治疗包括中晚期肝癌在内的甲胎蛋白(AFP)阳性实体瘤。据悉,该产品已于2020年11月获得美国 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20医学院纪家葵团队揭示生殖细胞与性腺体细胞的互作机制
清华新闻网9月27日电有性繁殖物种的成熟生殖细胞中染色体数量是体细胞的一半,并且其染色体序列与亲代细胞不完全相同,这些变化是通过减数分裂来实现的,而生殖细胞在第一次减数分裂前期经历了许多减数分裂特有的发育调控过程。细胞类型特异性或发育阶段特异性的荧光报告系统可以为目的细胞在特定发育阶段的研究提供便利 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20交叉信息研究院曾坚阳研究组合作提出深度学习建模基因调控网络新算法
清华新闻网9月13日电近日,清华大学交叉信息研究院的曾坚阳研究组与北京大学马剑竹课题组、索尔克生物研究所、加利福尼亚大学、上海交通大学合作,首次将基因调控网络显式的引入单细胞RNA测序(scRNA-seq)数据建模中,其效果在调控网络预测、scRNA-seq数据低维嵌入、scRNA-seq数据模拟生 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20倪建泉等美国科学院院刊发文揭示全新基因编辑系统
清华倪建泉研究组在《美国科学院院刊》发文揭示一种全新的基因编辑系统 清华新闻网11月8日电11月4日,清华大学医学院倪建泉教授研究组在《美国科学院院刊》(PNAS)发表题为《高效及可遗传性果蝇基因组Cas9编辑技术》(OptimizedgeneeditingtechnologyforDrosoph ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20自动化系汪小我课题组揭示microRNA降噪机制并实现肿瘤细胞精准识别
清华新闻网8月26日电近日,清华大学自动化系汪小我课题组基于“数基–碳基融合”的研究思路,揭示了microRNA的基因表达降噪机制,并将其应用于合成基因回路设计,通过指导构建人工基因细胞分类器,实现了对肿瘤细胞的精准识别。本世纪以来,合成生物学作为一门新兴学科取得了蓬勃发展,在医药健康、代谢工程、环 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20清华大学人类学与民族学研究中心成立
清华大学人类学与民族学研究中心成立清华新闻网11月15日电11月9日,清华大学人类学与民族学研究中心成立仪式暨中国少数民族文化生态学术研讨会在熊知行楼举行。清华大学社会科学学院党委书记史志钦与中心发起人之一、中国人类学与民族学研究会副会长、清华大学社会科学学院教授景军共同为研究中心揭牌。 清华大学 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20生命学院熊巍课题组揭示动物超声听觉的分子和细胞机制
清华新闻网7月14日电人类能听见的声音频率范围在20Hz到20kHz之间,然而有些动物发展出了超常的感受和产生高频声音(>20kHz)的能力,称之为超声听觉(Ultrasonichearing)和超声发声(Ultrasonicvocalization)。基于超声的听觉参与很多重要的生理功能和动物行为 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20生命学院江鹏课题组揭示p53突变肿瘤细胞对一碳代谢关键酶的极端依赖性
清华新闻网7月14日电代谢重编程是肿瘤的主要特征之一。肿瘤细胞通过改变自身的代谢途径或方式来满足其快速生长所需要的能量和代谢前体物质。清华大学生命学学院江鹏课题组近期的研究发现,尿素循环、多胺合成和天冬酰胺代谢的异常改变可帮助肿瘤细胞,特别是p53缺失或突变的肿瘤细胞的增殖或存活。相较于野生型的细胞 ...清华大学通知公告 本站小编 Free考研考试 2021-12-20