新型基因敲入帕金森病小鼠模型,揭示潜在致病机理

【字体: 时间:2021年11月25日 来源:生物通

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  上海交通大学医学院附属瑞金医院神经科和脑科学合作创新中心的Jun LIU教授联合凯斯西储大学Xiongwei Zhu和Wenzhang Wang课题组开发了VPS35 D620N基因敲入小鼠模型,再现了帕金森病基本特征。

  

上海交通大学医学院附属瑞金医院神经科和脑科学合作创新中心的Jun LIU教授联合凯斯西储大学Xiongwei Zhu和Wenzhang Wang课题组开发了VPS35 D620N基因敲入小鼠模型,再现了帕金森病基本特征。

空泡蛋白排序35同源基因(VPS35)中的D620N突变导致晚发常染色体显性家族性帕金森病(PD),并导致特发性PD。然而,D620N突变如何导致体内PD相关缺陷尚不清楚。通过VPS35 D620N knockin (KI)小鼠模型,这篇发表在《Aging Cell》杂志上的研究在小鼠14个月龄再现了PD的一系列主要特征,包括年龄依赖性进行性运动障碍、纹状体多巴胺(DA)和DA代谢物水平的显著变化,以及纹状体SNpc和DA终末DA神经元的强烈神经退行性变,伴随着神经炎症的增加,以及DA神经元中α-突触核蛋白的积累和聚集,并探讨了该遗传性突变的可能机理。


为了探讨vps35d620n突变对运动功能的影响,突变型小鼠和野生型同窝小鼠在三个不同年龄进行各种运动功能测试,包括户外运动、平衡木行走、旋转器和握力。14个月龄的突变型小鼠(VPS35D620N/D620N)明显出现动作迟缓。

 


测量15-16月龄小鼠纹状体的多巴胺及其代谢物DOPAC和HVA水平,与野生型小鼠相比,存在帕金森氏运动症状的突变小鼠多巴胺水平显著降低,DOPAC和HVA水平都有下降趋势,但没有达到显著。多巴胺的转换率未发现异常。

与此同时,15-16月龄突变小鼠黑质致密部TH阳性多巴胺神经元数量明显缺失(~12%)。纹状体中TH阳性多巴胺神经末梢也显著减少(~25%)。16个月前的小鼠均未显示类似的神经病理性变化。


在15-16个月龄,突变小鼠黑质致密部,而不是纹状体的星形胶质细胞增生。

通过免疫组织化学测定α-syn的表达,发现15-16个月大的突变小鼠的黑质致密部(SNpc)中体细胞α-syn的免疫反应性显著增加。免疫荧光研究的共聚焦分析证实,增加的α-syn几乎完全定位于TH阳性DA神经元。

 

之前有研究表明,PS35 D620N突变可能会破坏Lamp2a和组织蛋白酶D的恢复,这两种蛋白对α-syn降解至关重要。本研究也发现,突变小鼠的中脑腹侧中Lamp2a水平降低,但组织蛋白酶D的水平没有降低,说明突变导致了自噬受损。电子显微镜分析发现,14个月大的突变鼠的SNpc中存在频繁的营养不良有髓轴突,其中含有自噬空泡,且SNpc中的神经元的溶酶体及其罕见内含物明显多于WT小鼠的神经元。

鉴于线粒体功能障碍是PD过程中一个关键致病步骤。本文作者们对SNpc中的神经元进行了电子显微镜分析。14个月大的突变小鼠线粒体明显变短、变圆和变小,提示线粒体已发生断裂。

 

为了确定VPS35 D620N突变对线粒体功能的影响,使用安捷伦Seahorse XFe96分析仪测量了从15个月大的突变小鼠和WT对照组大脑中新分离的皮质突触线粒体的线粒体呼吸。与对照组小鼠相比,15月龄突变小鼠的基础OCR、最大OCR和备用OCR都明显降低。为了探索VPS35 D620N突变如何导致广泛的线粒体断裂和功能障碍,作者研究了参与调节线粒体分裂/融合的蛋白质,包括DLP1、MFN2、OPA1和MFF,结果它们在中脑腹侧或STR提取物中的表达没有变化。

将小鼠们暴露于神经毒素MPTP,然后进行包括旋转机器人、游梁、开阔场地和握力在内的行为测试。发现与野生小鼠相比,突变小鼠的表现更差。MPTP导致野生小鼠TH阳性神经元数量显著减少(~36%),相反突变小鼠TH阳性神经元数量显著增加(~51%),但与野生小鼠相比,MPTP处理后的突变小鼠的的纹状体TH阳性纤维减少明显加剧,虽然MPTP处理诱导了野生小鼠SNpc星形胶质细胞增生,但在突变小鼠中变得更严重。一致的是,突变和MPTP处理都不会增加纹状体中星形胶质细胞增生。

最后作者总结,从机制上讲,D620N突变可能通过增强VPS35-DLP1相互作用和增加线粒体DLP1复合物在体内的周转,在老年小鼠中诱导线粒体断裂和功能障碍。VPS35 D620N KI小鼠对MPTP介导的黑质纹状体途径变性表现出更大的易感性,表明VPS35 D620N突变增加了多巴胺神经元对环境毒素的脆弱性。

这种VPS35 D620N KI小鼠模型为帕金森病的未来疾病建模和药理学研究提供了强有力的工具。数据支持VPS35参与体内α-突触核蛋白病理学的发展,并揭示了线粒体碎片化/功能障碍在VPS35 D620N突变相关PD发病机制中的重要作用。

VPS35 D620N knockin mice recapitulate cardinal features of Parkinson’s disease

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