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模型制备

遗传型及基因相关心肌病模型

2021年01月04日 浏览量: 评论(0) 来源:《心血管病实验动物学》 作者:霍勇 陈明 主编 责任编辑:yjcadmin

细胞骨架蛋白基因:有研究表明心肌骨架蛋白的编码基因与扩张型心肌病的发病有着密切关系。细胞骨架系统起传导收缩力和机械支撑作用,研究发现许多扩张型心肌病与力传导蛋白缺陷有关,力传导过程缺陷以及心肌收缩时骨架蛋白不能有效地维持细胞膜结构,将导致心肌细胞慢性机械损伤,进而间质纤维化,心脏扩大。与之相关的细胞骨架蛋白有核纤层蛋白、桥粒蛋白、δ-肌聚糖、抗肌营养不良蛋白及纽带蛋白等。

Dystrophin基因抗肌营养不良蛋白(dystrophin)基因,位于Xp21.2,其突变引起X连锁扩张型心肌病。dystrophin主要在骨骼肌、心肌、平滑肌表达,包括4个独立的结构域(N-末端结构域、长重复序列结构域、富含半胱氨酸结构域和C-末端结构域),参与力的传导和机械支撑作用,将力量分散到周围相邻组织,使肌纤维抵抗收缩时的应力。dystrophin基因突变多位于dystrophin基因的5'端,从而影响dystrophin与肌动蛋白相连的氨基端。dystrophin是一种较大的细胞骨架蛋白,其氨基端与肌动蛋白连接,而羧基端与一较大的跨膜糖蛋白复合物(DAG)相连。因此dystrophin在建立细胞内骨架和肌小节与细胞外基质之间的联系中起着重要的作用,并为细胞膜提供结构上的支持。此外,dystrophin还参与细胞信号传导,尤其是通过与NOS的相互作用参与细胞信号传导。而已知在所有的横纹肌,收缩力均是由DAG复合物从肌小节传至细胞外基质的。dystrophin基因突变必然导致 DAG的破坏,质膜的紧密性丧失及纤维坏死。一些鼠的动物模型用来模拟人类杜氏型肌营养不良和贝克肌营养不良症。主要是dystrophin缺失的mdx鼠,dystrophin/utrophin双基因敲除的(u-dko)鼠和m-dko鼠。①mdx鼠:天然发生的mdx鼠是由于dystrophin基因外显子23无意义突变产生的。小于3个月的mdx鼠心脏很少或仅有轻度的病变:小灶状的变性和局限性的炎症,到6~8个月,mdx鼠的心脏开始出现中等程度的心肌坏死和纤维化,典型的心脏病理变化直到12月才出现,而且随着年龄增长程度变得越来越重。小于3个月mdx鼠心脏没有明显的病理改变,但是体外实验证实8~14周龄的mdx鼠心肌收缩功能减低只是还没有影响血流动力学直到应激状态发生。心电图研究年老的mdx鼠像在 DMD/BMD患者中报道的一样出现了深的Q波,R/S增加,频发室性期前收缩,心率变异性减低。人类中类似于mdx鼠的基因缺陷也存在,因此mdx鼠是研究心肌病的很好的动物模型,尤其是用于心肌病的基因治疗方面。②U-dko鼠:utrophin基因位于6q24,长1Mb,cDNA全长约为13kb,包含73个外显子,是继dystrophin之后人类发现的第二个大基因。utrophin蛋白与dystrophin有广泛的同源性,相对分子质量为395000Da,在一些肌病和胚胎发育期位于肌细胞膜下,出生后则局限在神经肌肉接头和肌腱接头。定位于神经肌肉结合处(neuromuscular junction, NMJ)肌纤维膜上的utrophin蛋白将细胞外间质与细胞膜下骨架蛋白连接起来,发挥细胞跨膜信号转导的重要作用。utrophin在mdx鼠中表达上调。为了研究utrophin基因上调是否能够补偿失去dystrophin的作用,u-dko(utrophin/dystrophin双基因敲除)鼠产生了。与轻型的mdx鼠相比,u-dko鼠更加虚弱体形较小。它们表现出进行性的肌肉萎缩,生长迟缓,体重减轻,脊柱弯曲和变形。出生后8~10周死去。Grady和Deconinck的实验室分别建立了U-dko鼠的模型。但是可能由于遗传背景的不同或是基因敲除的方法不同,这两个实验室建立的U-dko鼠表现并不完全一致,Deconinck实验室的U-dko品系在心脏重量和体重方面和野生的同窝鼠类似,心脏病理学评分10周龄的Deconinck u-dko品系和mdx鼠类似。Grady品系中所有的utrophin亚型都火活了,而Deconinck品系只有大多数的utrophin被灭活。③M-dko鼠:MyoD是成肌调节因子家族四成员之一,具有碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)结构域,能把多种类型细胞转化为成肌细胞,能促使成肌细胞融合为肌管。在肌肉特异基因转录调控中,MyoD起着总开关的作用,作用于许多基因的启动子区或增强子区,在其他因子的辅助下,促进它们的转录活性、胰岛素样生长因子-Ⅱ、转录共激活因子p300/CBP、核因子90、核激素受体复合激活子、干扰素相关发育调节因子1等能促进MyoD对基因的转录调控;抑制素2、肌源性生长抑素、组蛋白甲基转移酶Suv39h1、DNA结合抑制因子Id、肿瘤坏死因子-α等可抑制MyoD对基因的转录调控及其活性,使MyoD能适应内环境和生理功能的需要。MyoD主要通过泛素蛋白酶体通路降解,以适应分子通路调节的需要。为了研究肌肉再生能力是否对相对健康的mdx鼠有作用,Megeney,L.A的实验室建立了m-dko鼠。正如预料的一样,m-dko鼠产生了类似于患者的严重的肌营养不良症状,令人惊讶的是,m-dko鼠发展成了扩张型心肌病。

Lamin A/C基因(UV-NA)核纤层蛋白(Lamin A/C)的编码基因LMNA位于1p1-q21。 Lamin A/C是位于细胞核膜内层的二聚体,作为一种核膜中间丝蛋白,维持核膜结构完整性和提供机械支持作用。Arbustini等发现了5种突变(K97E,E111X,R190W,E317K,1712位4个碱基对插入)与扩张型心肌病有关,且结果提示伴有房室传导阻滞的扩张型心肌病约33%有LMNA突变,但具体机制尚不清楚。Karkkainen等在5个家系中24人和1个散发患者发现了突变Ser143Pro,大多数患者存在窦房结或房室结功能障碍且需要置入永久起搏器。推测对伴有传导系统障碍的扩张型心肌病患者勘测lamin A/C基因,尤其是 Ser143Pro突变具有重要意义。LMNA基因敲除小鼠(sullivan, 1999)表现出快速进行性扩张型心肌病,类似于人类常染色体显性疾病Emery-Dreifuss型肌营养不良(Emery-Dreifuss muscular dystrophy),按照Emery-Dreifuss型肌营养不良的LMNA基因突变位点进行L530P基因敲入的小鼠模型,杂合子LmnaL530P/wt与野生型小鼠表现无明显差异,纯合子表现出类似Hutchinson-Gilford早老症的表型,出生后4~5天开始出现严重的发育迟缓,4~5周死亡。

编码结蛋白(desmin)的基因DES,它位于染色体2q35。结蛋白是肌肉中一种特异的中间丝蛋白。Thornell L等将突变的desmin导入小鼠的生殖种系,纯合子突变的小鼠出生10天后出现了心肌病的病理表现。Carlsson L敲除(K/O)desmin基因的小鼠并不影响肌形成和肌纤维形成,而是在出生后发展为心肌病和骨骼肌营养不良。因此,缺乏desmin基因的后果是肌纤维对损伤更为敏感。基因打靶断裂小鼠肌肉LIM蛋白(MLP)是一种新的心力衰竭模型。MLP是肌组织发生或形成分化的调节剂。MLP敲除的纯合子小鼠发生扩张型心肌病,并有心肌肥厚、间质细胞增殖和纤维化。成年小鼠有与人心衰近似的血流动力学和临床体征。由于两者间的近似,所以提示学者们,造成MLP功能低下的分子机制可能参与人扩张型心肌病的发生。

叙利亚仓鼠BIO14.6 BIO14.6、BIO50.54、BIO82.62、BIO53.58、UM-X7.1等品系(cardiomyopathic hamster, CM)是一种可以出现自发心肌病的仓鼠,一般病变出现在30~40日龄仓鼠,雌鼠早10日发现,心室肥厚及心肌退行性变化约在60日龄可见,病变包括心肌细胞溶解,病程持续可见心肌间单核炎症细胞浸润及结缔组织取代退行性肌肉细胞。至100日龄时可见心腔极度扩张、肺水肿与肝淤血等。该类鼠心肌的病变较骨骼肌严重,一般认为是自体隐性遗传,由于δ-肌聚糖(sarcoglycan)基因(SGCD基因)突变引起。δ-sarcoglycan(SG)是dystrophin相关糖蛋白复合物(DGC)中sarcoglycan亚复合物的组成部分。δ-sarcoglycan参与肌细胞膜的稳定和信号传导,位于染色体5q33-34,它通过alpha2-laminin连接胞浆肌动蛋白、胞膜和心肌细胞基质血管紧张素转换酶。通过腺病毒将δ-sarcoglycan基因导入,能够改善心肌病仓鼠的心功能。

以往研究表明,肌小节蛋白基因突变主要导致肥厚型心肌病,近年来研究发现扩张型心肌病患者同样存在肌小节成分的突变,包括肌动蛋白、心肌肌凝蛋白、结合蛋白、β-肌凝蛋白重链、肌钙蛋白、原肌凝蛋白及肌巨蛋白等。原肌球调节蛋白(tropomodulin)过度表达模型和表达Epstein-Barr病毒抗原-leader蛋白或多瘤病毒大T-抗原的转基因小鼠亦观察到心肌病。tropomodulin是决定肌节-肌动蛋白丝长度的薄丝蛋白的一个组成成分。最近报道过度表达tropomodulin的转基因小鼠出生后2~4周即出现扩张型心肌病,心肌收缩减弱和心衰。

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