C9ORF72基因敲除大鼠模型

已有4篇C9orf72 BACs轉(zhuǎn)基因小鼠模型的報(bào)道，均產(chǎn)生RNA灶和DPRs但其中2例未出現(xiàn)ALS/FTD的神經(jīng)退行性或行為特征。其中只有一個(gè)表現(xiàn)出FTD的特征，另一個(gè)表現(xiàn)出與ALS和FTD相似的運(yùn)動(dòng)缺陷和神經(jīng)變性。這些來自哺乳動(dòng)物研究的數(shù)據(jù)提出了一個(gè)問題，即產(chǎn)生RNA灶和DPRs的C9orf72六核苷酸重復(fù)擴(kuò)增是否足以用于疾病的發(fā)病機(jī)制。在人類患者，G4C2六核苷酸重復(fù)擴(kuò)增顯著抑制C9orf72蛋白表達(dá)，C9orf72基因的敲除導(dǎo)致斑馬魚運(yùn)動(dòng)障礙，說明C9orf72單倍體功能不全以及RNA foci和/或DPRs的存在也可能是ALS發(fā)病的危險(xiǎn)因素。

我們的結(jié)果表明，在KA的存在下，KO大鼠出現(xiàn)進(jìn)行性運(yùn)動(dòng)功能障礙與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的丟失。提示C9orf72敲除大鼠需要額外的興奮性毒性的刺激來誘發(fā)ALS。肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(ALS)的大多數(shù)病例中都發(fā)現(xiàn)了由興奮性引起的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元興奮毒性的改變。作為一種可能的肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥的常見介質(zhì)，它可以與其他遺傳因子相互作用，觸發(fā)疾病的發(fā)病機(jī)制。我們的研究結(jié)果表明，C9orf72功能的喪失和興奮性毒性是誘發(fā)ALS發(fā)病的重要因素。這些結(jié)果提示C9orf72單倍體功能不全可能是人類發(fā)病機(jī)制的一部分。

C9orf72蛋白能夠與Rab家族的GTPases、RAB7L1、Rab1a、Rab5、Rab8和Rab39、cofilin和SMCR8等多種蛋白相互作用，并活躍于自噬、細(xì)胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)、囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)和溶酶體生物發(fā)生。在散發(fā)性和家族性肌萎縮性脊髓硬化(ALS)中，高爾基體破碎和核內(nèi)體異常是神經(jīng)元細(xì)胞體和軸突退行性消失之前的常見病理變化。最近，有報(bào)道稱C9orf72單核細(xì)胞功能不全破壞了C9orf72 ALS/FTD患者的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)和溶酶體生物發(fā)生。我們的研究結(jié)果還顯示，KA處理后C9orf72-/-大鼠腰脊髓組織的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中，早期內(nèi)泌體、溶酶體和再循環(huán)內(nèi)泌體的高爾基體復(fù)合物嚴(yán)重破碎和分散。C9orf72敲除或KA單獨(dú)刺激僅引起輕度高爾基體復(fù)雜碎片化和囊泡彌散。這一結(jié)果提示C9orf72敲除運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元可能導(dǎo)致高爾基體的復(fù)雜性、易碎性和對其他應(yīng)力的易感性。RNA測序分析顯示，C9orf72敲除對神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)的基因表達(dá)譜產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，包括神經(jīng)發(fā)生、周圍神經(jīng)分化、細(xì)胞死亡、神經(jīng)元投射、囊泡運(yùn)輸和神經(jīng)肌肉過程。

綜上所述，我們的數(shù)據(jù)顯示C9orf72敲除單獨(dú)不足以引起ALS發(fā)病機(jī)制，但它使運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元對其他危險(xiǎn)因素如興奮性毒性敏感，在體內(nèi)協(xié)同作用導(dǎo)致ALS。我們的研究結(jié)果也提示C9orf72單倍體功能不全可能是ALS發(fā)病機(jī)制之一，提高運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中C9orf72水平可作為一種可能的治療策略進(jìn)行檢測。

SD大鼠購自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司【SCXK（京）2012-001】。實(shí)驗(yàn)中涉及動(dòng)物的操作程序已獲得中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用與管理委員會(huì)的批準(zhǔn)，批準(zhǔn)號(hào)為ZLF18003. 本實(shí)驗(yàn)部分使用了基因修飾動(dòng)物（基因敲除），如果動(dòng)物逃逸，將會(huì)造成的環(huán)境潛在的基因污染。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物飼養(yǎng)繁殖于屏障環(huán)境中，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保證動(dòng)物處于監(jiān)管狀態(tài)，無逃脫可能。動(dòng)物房出入口安放擋鼠板，嚴(yán)防動(dòng)物逃逸，動(dòng)物籠具一經(jīng)發(fā)現(xiàn)破損，立即更換，飼養(yǎng)人員出入確保動(dòng)物房門關(guān)緊并鎖住等。含重組DNA的廢棄核酸樣品、離心管、槍頭等用 1M NaOH溶液浸泡后，裝入密封袋中，統(tǒng)一送到化學(xué)廢棄物處理公司處理。

1，C9ORF72基因敲除大鼠的建立

2，C9ORF72基因敲除和興奮毒性共同誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)缺陷

3，C9ORF72基因敲除和興奮毒性聯(lián)合作用導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元丟失

4，C9ORF72基因敲除大鼠脊髓免疫熒光染色分析

5，興奮毒性誘導(dǎo)與不誘導(dǎo)的WT和C9orf72敲除大鼠脊髓細(xì)胞RNA測序分析

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

3.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

SD大鼠購自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司【SCXK（京）2012-001】。實(shí)驗(yàn)中涉及動(dòng)物的操作程序已獲得中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所實(shí)驗(yàn)動(dòng)物使用與管理委員會(huì)的批準(zhǔn)，批準(zhǔn)號(hào)為ZLF18003.

3.1.2實(shí)驗(yàn)儀器

3.1.3實(shí)驗(yàn)試劑

3.1.4模型構(gòu)建流程

(1) 設(shè)計(jì)方案

(2) 構(gòu)建sgRNA 載體pUC57-sgRNA expression vector，根據(jù)基因信息選擇靶點(diǎn)并合成sgRNA。靶點(diǎn)1:ccc caccatctcctgctgttg靶點(diǎn)2:aacggagatcggagcactta cgg(3) 合成的sgRNA單鏈通過退火復(fù)性結(jié)合成小片段，插入BSA I線性化的載體，構(gòu)建完成的sgRNA載體通過體外轉(zhuǎn)錄成為可注射的sgRNA。(4) 構(gòu)建Cas9載體pST1374-NLS-flag-linker-Cas9，載體通過體外轉(zhuǎn)錄成為可注射的Cas9-RNA。(5) 顯微注射 1) 超數(shù)排卵：15只3-4周齡SD雌鼠注射激素進(jìn)行超排。 2) 受精卵注射：取約150枚受精卵進(jìn)行注射。 3) 雄鼠結(jié)扎：制作30只8周齡輸精管結(jié)扎的SD雄鼠。 4) 受體鼠制備：8-10周齡SD雌鼠與結(jié)扎的SD雄鼠交配后選取見栓的雌鼠。 5) 胚胎移植：將注射后的受精卵移植到受體鼠輸卵管壺腹部（移植一次，150枚卵，5只受體鼠）。(6) 基因型鑒定 1) 剪尾編號(hào)：出生7-10天的乳鼠，剪取腳趾和尾尖進(jìn)行編號(hào)及取材。 2) 基因組DNA提取：使用基因組DNA提取試劑盒提取基因組DNA 3) PCR檢測：根據(jù)序列信息設(shè)計(jì)檢測引物并進(jìn)行PCR檢測。(7) 結(jié)果分析：選取通過PCR檢測后含有不同于野生型分子量條帶的鼠號(hào)，將PCR產(chǎn)物進(jìn)行TA克隆，之后用檢測引物進(jìn)行菌液PCR，篩選有插入的克隆測序。(8) 根據(jù)測序結(jié)果確定C9ORF72基因敲除模型大鼠（SD. C9ORF72 (tm)-GC/ILAS，http://www.ratresource.com）用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

一、疾病概述

肌萎縮側(cè)索硬化（ALS）也叫運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病（MND），后一名稱英國常用，法國又叫夏科（Charcot）病，而美國也稱盧伽雷（Lou Gehrig）病。我國通常將肌萎縮側(cè)索硬化和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病混用。它是上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷之后，導(dǎo)致包括球部（所謂球部，就是指的是延髓支配的這部分肌肉）、四肢、軀干、胸部腹部的肌肉逐漸無力和萎縮。患病率約為4-6/10萬。大約10%的ALS病例是家族型的，90%是散發(fā)型的。

2018年5月11日，國家衛(wèi)生健康委員會(huì)等5部門聯(lián)合制定了《第一批罕見病目錄》，肌萎縮側(cè)索硬化被收錄其中。

病因

肌萎縮側(cè)索硬化的病因至今不明。20%的病例可能與遺傳及基因缺陷有關(guān)。另外有部分環(huán)境因素，如重金屬鋁中毒等，都可能造成運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損害。產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損害的原因，目前主要理論有：神經(jīng)毒性物質(zhì)累積，谷氨酸堆積在神經(jīng)細(xì)胞之間，久而久之，造成神經(jīng)細(xì)胞的損傷；自由基使神經(jīng)細(xì)胞膜受損；神經(jīng)生長因子缺乏，使神經(jīng)細(xì)胞無法持續(xù)生長、發(fā)育。

臨床癥狀

該病早期癥狀輕微，易與其他疾病混淆。患者可能只是感到有一些無力、肉跳、容易疲勞等一些癥狀，漸漸進(jìn)展為全身肌肉萎縮和吞咽困難。最后產(chǎn)生呼吸衰竭。

依臨床癥狀大致可分為兩型：

1.肢體起病型

癥狀首先是四肢肌肉進(jìn)行性萎縮、無力，最后才產(chǎn)生呼吸衰竭。

2.延髓起病型

先期出現(xiàn)吞咽、講話困難，很快進(jìn)展為呼吸衰

診斷

要早期診斷肌萎縮側(cè)索硬化，除了神經(jīng)科臨床檢查外，還需做肌電圖、神經(jīng)傳導(dǎo)速度檢測、血清特殊抗體檢查、腰穿腦脊液檢查、影像學(xué)檢查，甚至肌肉活檢。

1.病史采集和神經(jīng)系統(tǒng)檢查

診斷過程的第一個(gè)重要步驟，就是由神經(jīng)科醫(yī)生進(jìn)行的臨床接診。進(jìn)行包括詳細(xì)的現(xiàn)病史，家庭史，工作和環(huán)境接觸史的采集。接診過程中，神經(jīng)科醫(yī)生將尋找肌萎縮側(cè)索硬化的典型表現(xiàn)：

（1）檢查要評估咀嚼和吞咽的肌肉力量，包括口腔、舌及咽喉肌。

（2）下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元（LMN）功能，如肌肉萎縮情況，肌肉力量或肌肉跳動(dòng)（稱為肌束震顫）。

（3）上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元（UMN）功能，如腱反射亢進(jìn)和肌肉痙攣（肌肉緊張和僵直的程度）

（4）情緒反應(yīng)失去控制，如哭或笑的情緒變化。思維的變化如喪失判斷力或失去基本的社會(huì)技能。檢查者也會(huì)評估患者言語流暢性及文字識(shí)別能力。這些癥狀不常見，不容易引起重視。

（5）神經(jīng)科醫(yī)生還將詢問如疼痛，感覺喪失或錐體外系問題。

2.輔助檢查

診斷過程的下一步往往是一系列的輔助檢查，如頸部MRI（磁共振成像）、頭和腰MRI，EMG（肌電圖）、神經(jīng)傳導(dǎo)速度和血液化驗(yàn)。有時(shí)會(huì)做基因檢測或腰椎穿刺。

（1）磁共振成像（MRI）是一種無痛、非侵入性的檢查，能非常詳細(xì)提供脊髓和環(huán)繞、保護(hù)脊髓的骨骼及結(jié)締組織的結(jié)構(gòu)。將有助于除外對脊髓或主要神經(jīng)的壓迫（如突出的椎間盤）、多發(fā)性硬化、骨腫瘤壓迫神經(jīng)等異常、脊髓或腦中風(fēng)。

（2）肌電圖（EMG）是診斷過程一個(gè)非常重要的部分。該檢查有時(shí)不舒服，但有必要完成。第一部分通過小型電極在特定部位發(fā)送刺激經(jīng)過所檢測的神經(jīng)，在另一部位接受信號(hào)。根據(jù)所需時(shí)間測定傳導(dǎo)速度以判斷是否有神經(jīng)損傷。第二部分測試選定肌肉的電活動(dòng)。通過很細(xì)的針插入到選定的肌肉，并用它來“聽”這些肌肉的電活動(dòng)模式。

（3）血液、尿液和其他檢查驗(yàn)血是為了篩查其他疾病，有些疾病癥狀類似肌萎縮側(cè)索硬化早期跡象。這些檢查包括甲狀腺或甲狀旁腺疾病、維生素B12缺乏、艾滋病毒感染、肝炎、自身免疫性疾病以及某些類型的癌癥。肌酸激酶（CK）是肌肉受傷或死亡釋放的酶，也常檢查。其他還包括自身免疫抗體、抗-GM1抗體檢測，尋找可能與某些癌癥有關(guān)的血液標(biāo)志物。根據(jù)患者工作和環(huán)境，也可能做重金屬檢測。如果家庭里其他成員患肌萎縮側(cè)索硬化應(yīng)該做肌萎縮側(cè)索硬化基因檢測。有時(shí)可能需要腰穿。有些患者除無力外，有疼痛或肌酸磷酸激酶（CK）非常高的表現(xiàn)，可能需要肌肉活檢。

3.診斷

這些檢查完成后，有經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)科大夫就可以判斷患者是否為肌萎縮側(cè)索硬化。有時(shí)確診所需要的癥狀和檢查結(jié)果并非都異常（尤其是在疾病的最早階段）。在這種情況下，神經(jīng)科大夫會(huì)檢查建議隨診，3個(gè)月后重復(fù)體檢和肌電圖。

二、模型背景

1、基因信息

C9ORF72基因,Gene ID: 313155。

2、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物背景信息

SD大鼠

3、研究背景

肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）是一種累進(jìn)性神經(jīng)退行疾病，以控制肌肉收縮的上、下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元選擇性退化和凋亡為特征，引發(fā)癱瘓、最終導(dǎo)致死亡，患病率約為4-6/10萬。大約10%的ALS病例是家族型的，90%是散發(fā)型的。從發(fā)現(xiàn)SOD1基因突變到現(xiàn)在，共確定了30余種致病基因，其中C9orf72，F(xiàn)US，TARDBP，SOD1等比例較高，而EPHA4， ATXN2等20余種基因比率較低[1-5]。肌萎縮側(cè)索硬化癥病因涉及興奮毒性、氧化應(yīng)激、神經(jīng)營養(yǎng)因子、自身免疫、中毒、感染等，目前無有效的治療方法，仍然是 “不治之癥”。

已發(fā)現(xiàn)的30種致病基因和修飾基因與ALS的病理發(fā)生有關(guān)，其機(jī)制可歸納為細(xì)胞表面受體、RNA加工、蛋白質(zhì)合成、能量代謝、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能、軸突轉(zhuǎn)運(yùn)等幾個(gè)方面的異常。其中C9orf72和EPHA4分別參與了RNA加工、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、細(xì)胞膜受體三種ALS的發(fā)病機(jī)制。

C9orf72的第一外顯子E1a和E1b之間有GGGGCC六個(gè)堿基的重復(fù)序列（HRE)，HRE拷貝數(shù)在人群中具有多態(tài)性，高于30個(gè)重復(fù)會(huì)有發(fā)生額顳葉癡呆（FTD）或ALS，在西方人群HER引起的ALS占了家族型病例的40%和散發(fā)型病例的7-10%， 臺(tái)灣漢人中分別為18% 和2%， 我國目前研究較少，128個(gè)ALS-FTD 病人中發(fā)現(xiàn)2例[7-8]。可能漢人的頻率比西方人低，但總體上仍然是最主要的致病基因，除次之外，HRE引起 30% 的FTD和1-2%的老年性癡呆（AD） [9]，我國的研究發(fā)現(xiàn)，HER結(jié)構(gòu)也可能是帕金森的危險(xiǎn)因素。C9orf72是與多種退行性神經(jīng)疾病相關(guān)的重要致病基因和靶點(diǎn)。

C9orf72蛋白與細(xì)胞運(yùn)輸和自噬有關(guān)，敲低斑馬魚的C9orf72表達(dá)可干擾神經(jīng)分支的形成和縮短運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元軸突[10，11]，推測HER導(dǎo)致ALS的致病機(jī)制有二個(gè)方面（1）HRE結(jié)構(gòu)導(dǎo)致C9orf72轉(zhuǎn)錄子在細(xì)胞內(nèi)的積累并與DNA形成RNA/DNA 雜交環(huán)（R-loop）引起RNA毒性；或?qū)е虏恍枰狝TG的翻譯（RANtranslation ）甘胺酸/精氨酸或脯氨酸/精氨酸的多肽的細(xì)胞毒性；（2） C9orf72表達(dá)水平降低影響了神經(jīng)元內(nèi)細(xì)胞運(yùn)輸[12-14]。

ALS動(dòng)物模型是研究ALS的病因、病理、發(fā)病機(jī)制和治療的重要工具。目前建立ALS的嚙齒類動(dòng)物模型主要是SOD1、TDP-43、VCP、FUS等基因的轉(zhuǎn)基因或基因敲除小鼠，wobbler自發(fā)突變小鼠，不同模型病理表現(xiàn)不同，并各自局限性[15-17]。目前常用的嚙齒類動(dòng)物模型只反映了10%左右的病因，需要覆蓋更廣泛病因的和基因敲入動(dòng)物模型的研制。

ALS之所以仍然是臨床的“不治之癥”的主要原因是其病因多樣，目前對其機(jī)制了解少，針對性的發(fā)展相應(yīng)的治療靶點(diǎn)和藥物比較困難。ALS疾病模型的不足也是ALS研究的限制限制因素之一。目前比較常用的模型綜合起來涵蓋的致病機(jī)制不超過10%。 建立能覆蓋較大部分發(fā)病機(jī)制的ALS模型，可以極大地促進(jìn)起發(fā)病機(jī)制研究、藥物研發(fā)和治療方法研究。

HRE序列多態(tài)性和基因缺失是目前國際公認(rèn)的最普遍的ALS治病基因。在斑馬魚中敲低C9orf72基因和在果蠅中表達(dá)HER序列都能造成一定的神經(jīng)表型，但與患者的基因結(jié)構(gòu)不同，不能再現(xiàn)ALS表型[11，12]。將HER-GFP表達(dá)盒轉(zhuǎn)入小鼠并沒有ALS表型[18]，啟示將HER結(jié)構(gòu)敲入到C9orf72位點(diǎn)是造成ALS表型所必需的，但C9orf72的HER結(jié)構(gòu)敲入和C9orf72敲除的哺乳動(dòng)物模型尚未研制成功。

大鼠在生理、行為、神經(jīng)等研究最常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物[21]，大鼠神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型不僅有好的行為學(xué)表現(xiàn)，也能表現(xiàn)一些在小鼠模型上不能表現(xiàn)的病理改變。我們推測C9ofr72基因修飾大鼠模型將比小鼠有更好的表型。 而我們實(shí)驗(yàn)室在國際上率先建立了系統(tǒng)的CRISPR/cas9 介導(dǎo)的、率的大鼠基因條件敲除、敲入技術(shù)體系[22]，建立C9ofr72基因修飾大鼠沒有技術(shù)障礙。

綜上，ALS影響的不僅僅是病人，也是對社會(huì)和家庭影響很大的“不治之癥”，而目前國際上尚未建立基于C9orf72基因的哺乳類動(dòng)物模型建立這類模型對我國ALS、FTD和AD等神經(jīng)退行性疾病的醫(yī)藥研究具有重要的推動(dòng)作用。

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