AD大小鼠基因编辑模型--解密阿尔茨海默症

当前，阿尔茨海默症获批的部分药物并无缓解疾病进程的作用。上一期「神经疾病研究」系列文章中提到，研究人员通过构建一系列AD动物模型，包括衰老类小鼠、Aβ诱导AD模型以及基因编辑等，用以模拟已知的病理特征进而了解其发病机制，点此回顾。今天我们针对基因编辑展开，一起盘点几类重要的AD大小鼠模型：

• AD小鼠基因编辑模型——APP/PS1、Tg2576等

• AD大鼠基因编辑模型——App NL-G-F

• 其他神经疾病模型推荐 

AD小鼠基因编辑模型

在现阶段研究中，所使用到的AD小鼠基因编辑模型主要是将人类AD相关基因通过转基因的手段转入小鼠基因组中。目前相关文献中使用频率较高的小鼠模型依次是APP/PS1、Tg2576、3xTg-AD、5xFAD^[1]。

• APP/PS1模型

将朊病毒蛋白启动子、人源APP和PSEN1基因（携带两个人源突变位点:APP K670_M671delinsNL (Swedish)和PSEN1: deltaE9）转入小鼠基因组中，该模型小鼠表现出随年龄进行性的脑内Aβ及淀粉样斑块表达水平升高。 

该小鼠大约4月龄时可在皮质中观察到淀粉样斑块，6月龄可在海马体中观察到淀粉样斑块^[2]，淀粉样斑块沉积存在脑区差异，皮质中的斑块密度高于海马体和杏仁核中的斑块密度^[3]；Morris水迷宫中检测出认知缺陷在6到10个月间出现，并随着年龄增长而恶化^[4]。 

• Tg2576模型

将人源APP基因（携带一个人源突变位点:APP K670_M671delinsNL (Swedish)）转入小鼠基因组中，小鼠产生随年龄进行性的脑内Aβ及淀粉样斑块表达水平升高。 

该小鼠4.5个月时海马CA1区树突棘丢失^[6]；部分研究表明在不到六个月大时出现学习能力、情境恐惧条件反射和工作记忆能力受损，但其认知能力正常；12个月认知能力开始出现渐进性损伤^[7]；11-13个月时小鼠大脑中出现大量Aβ斑块^[8]。 

• 3xTg-AD模型

将人源APP、PSEN1和MAPT基因（含3个突变位点:APP Swedish, MAPT P301L和PSEN1 M146V）转入小鼠基因组中，该小鼠出现随年龄进行性的脑内Aβ及淀粉样斑块表达水平升高及Tau蛋白异常聚集所形成的神经纤维缠结。 

该小鼠表现出与年龄相关的进行性淀粉样斑块沉积和Tau蛋白异常聚集所形成的神经纤维缠结。6月龄时可观察到皮层中细胞外Aβ沉积，12月龄时分布更加广泛，且可明显观察到Tau蛋白异常聚集所形成的神经纤维缠结。3-6月龄可观察到学习认知能力的下降^[9-10]。 

• 5xFAD模型

将人源APP和PSEN1基因（含5个突变位点：APP K670_M671delinsNL (Swedish), APP I716V (Florida), APP V717I (London), PSEN1 M146L (A>C), PSEN1 L286V）转入小鼠基因组中，该模型小鼠将表现出随年龄进行性的脑内Aβ及淀粉样斑块表达水平升高。 

该小鼠淀粉样斑块病理特征出现极早（2-4月龄阶段均有报道），且分布脑区较广，在海马体、皮质、丘脑和脊髓中均观察到淀粉样斑块^[11-13]。6-12月龄出现学习认知能力及工作记忆能力受损^[7]。 

AD大鼠基因编辑模型

虽然大部分小鼠模型可以观察到Aβ蛋白的沉积，却没有出现其他病理特征，如Tau蛋白异常磷酸化导致的神经原纤维缠结，于是有学者将目光投向了大鼠模型。与小鼠相比，AD相关基因（如MAPT）在大鼠中的多态性与人类更接近，且大鼠的体型相对较大，更方便进行手术取材操作以及某些稀有样本（如脑脊液样本）的收集。 

• App NL-G-F Knock-in Rat模型

2021年，清华大学著名神经科学家鲁白教授领衔的团队开发出全球首个全面模拟人类AD的大鼠模型App NL-G-F^[14]，使大鼠在携带了Swedish、Iberian和Arctic三个人类家族突变的同时，不改变APP蛋白及其片段在脑内的时间和空间的表达水平。与其他模型相比，该模型显示出与人类更相似的病理和疾病进展，也是目前唯一仅通过突变的人源化APP敲入就能同时产生Aβ聚集和Tau相关病理表型的啮齿类模型。 

纯合子大鼠中1月龄可检测到Aβ沉积的出现，Aβ沉积随着年龄的增长而增加，雌鼠的病理进展速度快于雄性。与野生型大鼠相比，App NL-G-F大鼠的脑重量减轻，海马体和皮层中的神经元丢失，侧脑室扩张，这一情况类似于AD患者，也是首次科学家在AD动物模型中观察到脑室扩张。在12个月时，纯合敲入大鼠的海马神经元比野生型大鼠少30%，脑重量低9%，这些差异在50个月时分别增加到16%和22%。在5-7月龄可观察到学习能力和认知能力受损；在6月龄后其Tau蛋白的磷酸化水平升高，12月龄后可观察到Tau蛋白的聚集。 

App NL-G-F大鼠模型病理特征的时间分布^[14] 

神经疾病小鼠模型推荐

不仅仅是阿尔茨海默症，包括亨廷顿症、渐冻症等神经退行性疾病的疗法开发都依旧乏善可陈。针对此类神经疾病，赛业生物开发了一系列基因编辑小鼠模型，同时针对研究人员的需求，也可定制或合作开发基因编辑小鼠模型，如基因敲除、基因敲入、点突变、人源化小鼠模型及大小鼠手术疾病模型，加速神经药效学验证实验的开展。 

参考文献

[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.