C9ORF72基因HRE敲入大鼠模型

目前認為HER的致病機制有三個方面，其一是 HRE結構導致C9orf72 轉錄子在細胞內的積累，并可能與DNA形成RNA/DNA 雜交環（R-loop）引起RNA毒性。 第二種可能是HRE結構可能導致一種叫做不需要ATG的翻譯（repeat-associated non-ATG (RAN)translation ）GGGGCC重復可以編碼甘胺酸/精氨酸或脯氨酸/精氨酸的多肽，這兩種多肽都有細胞毒性；其三是C9orf72蛋白本身的異常。由于美國科學家證實C9orf72基因敲除小鼠主要影響免疫系統，而不是神經系統。C9orf72蛋白本身的異常是否也參與ALS的病理發生仍然是有爭議的科學問題。

C9ORF72-HRE轉基因小鼠具有很明確的ALS的表型，但是該模型只適用于研究，RNA在核內的聚集以及蛋白異常結合引起的細胞毒性和ATG非依賴性的寡聚肽引起的細胞毒性。 C9orf72-HER敲入大鼠可能影響C9orf72蛋白本身的表達， 從而可以研究半合子效應導致的C9orf72蛋白本身的異常，以及是否參與ALS的病理發生。

C9ORF72基因HRE敲入大鼠中C9ORF72蛋白表達效率下降近50%，自4M開始出現運動功能障礙，隨著年齡的增長，運動功能障礙逐漸加重，并有明顯的漸進式下降趨勢，12M后出現后肢癱瘓表型。C9orf72基因HRE敲入可導致運動神經元退變，運動神經元存活數量顯著減少。

綜上所述，我們的數據顯示C9orf72基因HRE敲入可以導致ALS表型，C9orf72單倍體功能不全可能是導致肌萎縮性脊髓側索硬化癥的相關因素，提高運動神經元中C9orf72水平可作為一種可能的治療策略進行檢測。

SD大鼠購自北京維通利華實驗動物技術有限公司【SCXK（京）2012-001】。實驗中涉及動物的操作程序已獲得中國醫學科學院醫學實驗動物研究所實驗動物使用與管理委員會的批準，批準號為ZLF18003. 本實驗部分使用了基因修飾動物（基因HRE敲入），如果動物逃逸，將會造成的環境潛在的基因污染。實驗動物飼養繁殖于屏障環境中，整個實驗過程中保證動物處于監管狀態，無逃脫可能。動物房出入口安放擋鼠板，嚴防動物逃逸，動物籠具一經發現破損，立即更換，飼養人員出入確保動物房門關緊并鎖住等。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，統一送到化學廢棄物處理公司處理。

1，C9ORF72基因HRE敲入大鼠的建立

2，C9ORF72基因HRE敲入影響大鼠免疫功能

3，C9ORF72基因HRE敲入導致的運動缺陷

4，C9ORF72基因HRE敲入導致運動神經元丟失

5.1 C9ORF72基因HRE敲入大鼠的建立及大體特征

C9ORF72基因HRE敲入大鼠與野生型SD大鼠經雜交，仔代大鼠經提取基因組PCR鑒定基因型，包括野生型，HRE敲入雜合子。然后HRE敲入雜合子之間雜交獲得HRE敲入純合子。提取純合子大鼠大腦、小腦、脊髓組織，進行免疫印跡觀察C9ORF72蛋白表達情況，經結果圖灰度掃描定量分析，HRE敲入導致C9ORF72蛋白表達效率下降近50%。

5.2 C9ORF72基因HRE敲入影響大鼠免疫功能

HRE敲入大鼠體重和生殖能力正常，但與野生型大鼠相比，免疫器官有改變，脾臟無明顯變化，胸腺顯著減小，頸部淋巴結明顯增大。外周血流式分析顯示4月齡的HRE敲入大鼠中性粒細胞比例顯著上升，淋巴細胞中CD3、CD4均顯著降低。至12個月齡，未發現其他器官有明顯缺陷。

5.3 C9ORF72基因HRE敲入導致的運動缺陷

采用運動協調實驗和肢體力量實驗測定4M、8M、12M的WT和KI大鼠的運動功能。KI大鼠從4M開始出現運動功能障礙，隨著年齡的增長，運動功能障礙逐漸加重，并有明顯的漸進式下降趨勢。與WT相比KI大鼠12M時運動協調和肢體力量下降分別為68%和56%。雌性KI大鼠在13-24M年齡段后肢麻痹發生率為25%(5/20)。這些數據表明，敲除大鼠的HRE插入不僅會導致運動障礙，還會導致后肢麻痹。

運動協調實驗：兩組動物分別測量4M、8M、12M三個時間點的從轉棒儀掉落時間，實驗前先進行4次適應性訓練，正式實驗300s為測量上限，每只動物重復三次，清理消毒后進行下一組，整個實驗在安靜環境下進行。（大小鼠轉棒儀DXP-3，中國醫學科學院藥物研究所）

肢體力量實驗：兩組動物分別測量4M、8M、12M三個時間點的后肢抓力，每只動物重復三次。（抓力儀 bio-gs3 Bioseb US ）

5.4 C9ORF72基因HRE敲入導致運動神經元丟失

12M大鼠灌流固定取脊髓脊髓，計數腰椎脊髓節段處焦油紫染色的運動神經元數目，以確定其退變的程度。C9orf72基因HRE敲入引起運動神經元的退變，與WT相比，HRE敲入大鼠的運動神經元存活數量顯著減少了47%。這一結果表明C9orf72基因HRE敲入可導致運動神經元退變，提示C9orf72基因HRE敲入增加了運動神經元對其他應力的敏感性。

神經元焦油紫（cresylviolet）染色：4%多聚甲醛灌流固定，取脊髓腰段，40um脊髓冰凍切片，脫水處理后-30℃保存。雙蒸水配置焦油紫0.1%M/V，冰凍切片室溫平衡后，PBS水化1min，0.1%焦油紫浸染2小時，雙蒸水浸洗至組織呈深紫色，分化、脫水（過程中密切觀察組織顏色，直至淡紫色），封片。

3.1實驗材料

3.1.1實驗動物

SD大鼠購自北京維通利華實驗動物技術有限公司【SCXK（京）2012-001】。實驗中涉及動物的操作程序已獲得中國醫學科學院醫學實驗動物研究所實驗動物使用與管理委員會的批準，批準號為ZLF18003.

3.1.2實驗儀器

3.1.3實驗試劑

3.1.4模型構建流程

(1) 設計方案

(2) 構建sgRNA 載體pUC57-sgRNA expression vector，根據基因信息選擇靶點并合成sgRNA。靶點1:AGTCCCACGAGGAAACAG CGG靶點2:AGGCAACCAGAGCGCTGG CGG(3) 合成的sgRNA單鏈通過退火復性結合成小片段，插入BSA I線性化的載體，構建完成的sgRNA載體通過體外轉錄成為可注射的sgRNA。(4) 構建Cas9載體pST1374-NLS-flag-linker-Cas9，載體通過體外轉錄成為可注射的Cas9-RNA。(5) 顯微注射 1) 超數排卵：15只3-4周齡SD雌鼠注射激素進行超排。 2) 受精卵注射：取約150枚受精卵進行注射。 3) 雄鼠結扎：制作30只8周齡輸精管結扎的SD雄鼠。 4) 受體鼠制備：8-10周齡SD雌鼠與結扎的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：出生7-10天的乳鼠，剪取腳趾和尾尖進行編號及取材。 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：根據序列信息設計檢測引物并進行PCR檢測。(7) 結果分析：選取通過PCR檢測后含有不同于野生型分子量條帶的鼠號，將PCR產物進行TA克隆，之后用檢測引物進行菌液PCR，篩選有插入的克隆測序。(8) 根據測序結果確定C9ORF72基HRE敲入模型大鼠（SD. C9ORF72 (tm)-GC/ILAS，http://www.ratresource.com）用于后續實驗。

一、疾病概述

肌萎縮側索硬化（ALS）也叫運動神經元?。∕ND），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索硬化和運動神經元病混用。它是上運動神經元和下運動神經元損傷之后，導致包括球部（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?；疾÷始s為4-6/10萬。大約10%的ALS病例是家族型的，90%是散發型的。

2018年5月11日，國家衛生健康委員會等5部門聯合制定了《第一批罕見病目錄》，肌萎縮側索硬化被收錄其中。

病因

肌萎縮側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。另外有部分環境因素，如重金屬鋁中毒等，都可能造成運動神經元損害。產生運動神經元損害的原因，目前主要理論有：神經毒性物質累積，谷氨酸堆積在神經細胞之間，久而久之，造成神經細胞的損傷；自由基使神經細胞膜受損；神經生長因子缺乏，使神經細胞無法持續生長、發育。

臨床癥狀

該病早期癥狀輕微，易與其他疾病混淆?；颊呖赡苤皇歉械接幸恍o力、肉跳、容易疲勞等一些癥狀，漸漸進展為全身肌肉萎縮和吞咽困難。最后產生呼吸衰竭。

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行性萎縮、無力，最后才產生呼吸衰竭。

2.延髓起病型

先期出現吞咽、講話困難，很快進展為呼吸衰

診斷

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

1.病史采集和神經系統檢查

診斷過程的第一個重要步驟，就是由神經科醫生進行的臨床接診。進行包括詳細的現病史，家庭史，工作和環境接觸史的采集。接診過程中，神經科醫生將尋找肌萎縮側索硬化的典型表現：

（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）下運動神經元（LMN）功能，如肌肉萎縮情況，肌肉力量或肌肉跳動（稱為肌束震顫）。

（3）上運動神經元（UMN）功能，如腱反射亢進和肌肉痙攣（肌肉緊張和僵直的程度）

（4）情緒反應失去控制，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技能。檢查者也會評估患者言語流暢性及文字識別能力。這些癥狀不常見，不容易引起重視。

（5）神經科醫生還將詢問如疼痛，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）、神經傳導速度和血液化驗。有時會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，能非常詳細提供脊髓和環繞、保護脊髓的骨骼及結締組織的結構。將有助于除外對脊髓或主要神經的壓迫（如突出的椎間盤）、多發性硬化、骨腫瘤壓迫神經等異常、脊髓或腦中風。

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

（3）血液、尿液和其他檢查驗血是為了篩查其他疾病，有些疾病癥狀類似肌萎縮側索硬化早期跡象。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的血液標志物。根據患者工作和環境，也可能做重金屬檢測。如果家庭里其他成員患肌萎縮側索硬化應該做肌萎縮側索硬化基因檢測。有時可能需要腰穿。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，可能需要肌肉活檢。

3.診斷

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

二、模型背景

1、基因信息

C9ORF72基因,Gene ID: 313155。

2、實驗動物背景信息

SD大鼠

3、研究背景

肌萎縮側索硬化癥（ALS）是一種累進性神經退行疾病，以控制肌肉收縮的上、下運動神經元選擇性退化和凋亡為特征，引發癱瘓、最終導致死亡，患病率約為4-6/10萬。大約10%的ALS病例是家族型的，90%是散發型的。從發現SOD1基因突變到現在，共確定了30余種致病基因，其中C9orf72，FUS，TARDBP，SOD1等比例較高，而EPHA4， ATXN2等20余種基因比率較低[1-5]。肌萎縮側索硬化癥病因涉及興奮毒性、氧化應激、神經營養因子、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”。

已發現的30種致病基因和修飾基因與ALS的病理發生有關，其機制可歸納為細胞表面受體、RNA加工、蛋白質合成、能量代謝、內質網功能、軸突轉運等幾個方面的異常。其中C9orf72和EPHA4分別參與了RNA加工、內質網、細胞膜受體三種ALS的發病機制。

C9orf72的第一外顯子E1a和E1b之間有GGGGCC六個堿基的重復序列（HRE)，HRE拷貝數在人群中具有多態性，高于30個重復會有發生額顳葉癡呆（FTD）或ALS，在西方人群HER引起的ALS占了家族型病例的40%和散發型病例的7-10%， 臺灣漢人中分別為18% 和2%， 我國目前研究較少，128個ALS-FTD 病人中發現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]，我國的研究發現，HER結構也可能是帕金森的危險因素。C9orf72是與多種退行性神經疾病相關的重要致病基因和靶點。

C9orf72蛋白與細胞運輸和自噬有關，敲低斑馬魚的C9orf72表達可干擾神經分支的形成和縮短運動神經元軸突[10，11]，推測HER導致ALS的致病機制有二個方面（1）HRE結構導致C9orf72 轉錄子在細胞內的積累并與DNA形成RNA/DNA 雜交環（R-loop）引起RNA毒性；或導致不需要ATG的翻譯（RAN translation ）甘胺酸/精氨酸或脯氨酸/精氨酸的多肽的細胞毒性；（2）C9orf72表達水平降低影響了神經元內細胞運輸[12-14]。

ALS動物模型是研究ALS的病因、病理、發病機制和治療的重要工具。目前建立ALS的嚙齒類動物模型主要是SOD1、TDP-43、VCP、FUS等基因的轉基因或基因敲除小鼠，wobbler自發突變小鼠，不同模型病理表現不同，并各自局限性[15-17]。目前常用的嚙齒類動物模型只反映了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，目前對其機制了解少，針對性的發展相應的治療靶點和藥物比較困難。 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制不超過10%。 建立能覆蓋較大部分發病機制的ALS模型，可以極大地促進起發病機制研究、藥物研發和治療方法研究。

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

大鼠在生理、行為、神經等研究最常用的實驗動物[21]，大鼠神經系統疾病模型不僅有好的行為學表現，也能表現一些在小鼠模型上不能表現的病理改變。我們推測C9ofr72基因修飾大鼠模型將比小鼠有更好的表型。 而我們實驗室在國際上率先建立了系統的CRISPR/cas9 介導的、率的大鼠基因條件敲除、敲入技術體系[22]，建立C9ofr72基因修飾大鼠沒有技術障礙。

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

參考文獻：

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2.C9orf72 nucleotide repeat structures initiate molecular cascades of disease.Nature.2014，13;507(7491):195-200.

3.Fishing for causes and cures of motor neuron disorders. Dis Model Mech. 2014 Jul;7(7):799-809

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6.A hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72 is the cause of chromosome 9p21-linked ALS-FTD.Neuron. 2011，20;72(2):257-68.

7.Expanded GGGGCC hexanucleotide repeat in noncoding region of C9ORF72 causes chromosome 9p-linked FTD and ALS.Neuron. 2011，20;72(2):245-56.

8.A hexanucleotide repeat expansion in C9ORF72 causes familial and sporadic ALS in Taiwan.Neurobiol Aging.2012，;33(9):2232.

9.Repeat expansion in C9ORF72 in Alzheimer's disease.N Engl J Med. 2012, 9;366(3):283-4.

10.C9ORF72, implicated in amytrophic (sic) lateral sclerosis and frontotemporal dementia, regulates endosomal trafficking. Hum. Molec. Genet. 23: 3579-3595, 2014.

11.Loss of function of C9orf72 causes motor deficits in a zebrafish model of amyotrophic lateral sclerosis. Ann. Neurol. 74: 180-187, 2013.

12.C9orf72 repeat expansions cause neurodegeneration in Drosophila through arginine-rich proteins. Science. 2014, 345(6201):1192–1194.

13.C9orf72 nucleotide repeat structures initiate molecular cascades of disease.Nature. 2014, 13;507(7491):195-200.

14.The C9orf72 GGGGCC repeat is translated into aggregating dipeptide-repeat proteins in FTLD/ALS. Science 339: 1335-1338, 2013.

15.Neurodegenerative disease: EPHA4 inhibition rescues neurodegeneration in ALS.Nat Rev Drug Discov. 2012 Oct;11(10):747.

16.EPHA4 is a disease modifier of amyotrophic lateral sclerosis in animal models and in humans.Nat Med. 2012 Sep;18(9):1418-22.

17.GrimesMouse models of ciliopathies: the state of the art. Dis Model Mech. 2012, 5(3): 299–312.

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19.The wobbler mouse, an ALS animal model. Mol Genet Genomics. 2013; 288(5-6): 207–229.

20.A new inducible transgenic mouse model for C9orf72-associated GGGGCC repeat expansion supports a gain-of-function mechanism in C9orf72 associated ALS and FTD.Acta Neuropathol Commun. 2014, 13;2(1):166.

21.Laboratory animals: the Renaissance rat.Nature. 2004, 428(6982):464-6.)

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