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脊髓小脑性共济失调Ⅲ型(SCA3)研究模型—B6-hATXN3小鼠
2024-02-26

脊髓小脑性共济失调

 

脊髓小脑性共济失调(SCA)是一组遗传性脑部疾病,表现为渐进性和退行性的特征。这些疾病主要影响小脑对身体运动协调性的调节,有时也会影响到脊髓。目前已发现的SCA亚型超过40种,每一种亚型都对应一个特定的致病基因[1]。SCA的主要症状是步态协调性逐渐减退,通常伴随着手部、语言和眼睛运动的协调性差。具体的症状会因亚型和患者自身的差异而异。在许多情况下,尽管患者的精神能力完全保留,但会因为身体控制能力逐渐下降,造成运动功能丧失,甚至可能导致死亡。

 

图1 脊髓小脑性共济失调(SCA)的全球主要分布情况[1]

 

SCA的致病机制

 

SCA主要由基因中连续的胞嘧啶-腺嘌呤-鸟嘌呤(CAG)三核苷酸重复扩增引起,这是一类多聚谷氨酰胺(polyQ)疾病的特征。SCA1、SCA2和SCA3等多数SCA病例都属于此类。这些疾病的发生机制是致病性多谷氨酰胺扩展重复序列长度增加,导致翻译过程中产生异常的PolyQ重复序列,从而使蛋白质错误折叠。错误折叠的PolyQ蛋白形成聚集体,干扰细胞过程,导致细胞功能障碍,进而引发细胞毒性和退化。而其他基因位点的点突变、缺失突变或插入突变等情况较为罕见。脊髓小脑性共济失调3型(SCA3),也被称为Machado-Joseph病(MJD),是全球最常见且较为严重的SCA亚型,约占所有SCA病例的20%~50%,目前尚无治愈方法[2]

 

图2 正常CAG三核苷酸重复的功能以及异常CAG三核苷酸重复扩增导致SCA疾病发生的机制[2]

 

SCA3的疾病机制和靶向治疗研究

 

在正常人体内,ATXN3基因中CAG的重复次数范围为10至44。然而,在SCA3患者体内,这个范围扩大到了61至87。这种过多的CAG重复导致突变的ATXN3基因编码生成异常的共济失调蛋白-3(Ataxin-3)。这些异常蛋白会聚集并产生有毒物质,破坏包括自噬、蛋白稳态、转录、线粒体功能和信号传导在内的多个细胞过程,从而导致机能障碍和疾病的发生。患者的表现包括小脑共济失调、眼外肌麻痹、凝视诱发眼震、眼睑后退,面舌肌束颤,以及不同程度的锥体和锥体外系症状及周围神经病变等[3]

 

图3 ATXN3基因中CAG重复次数范围不同对Ataxin-3蛋白功能的影响[3]

 

在临床前研究阶段,通过抑制ATXN3基因表达、沉默致病性ATXN3蛋白、阻止蛋白聚集、抑制有毒蛋白的水解过程以及抵消受影响的细胞系统功能障碍,都已显示出一定的治疗效果[3]。然而,目前进入临床阶段的SCA3疗法非常有限,相关研究仍需加强。在进行临床试验之前,根据治疗方法的不同,每种治疗方法需要使用不同类型的动物模型进行严格的评估。例如,小核酸药物龙头企业Ionis在开发ATXN3靶向性反义寡核苷酸(ASO)疗法的研究中,就使用了多种表达人源ATXN3基因的小鼠模型,用于目标分子的筛选和药效学的验证[4-7]

 

图4 靶向ATXN3 mRNA或ATXN3蛋白以及其他多种SCA3疗法[3]

 

赛业生物已成功开发了小鼠Atxn3基因人源化的B6-hATXN3小鼠模型(产品编号:C001398),并可基于此模型构建热门致病点突变的人源化疾病模型,以满足CRISPR、ASO、siRNA和miRNA等新兴疗法的研究需求。以下是该模型的详细信息。

 

B6-hATXN3小鼠成功表达人源ATXN3基因

 

常见的B6-TG(ATXN3-84Q)小鼠是在表达人源ATXN3基因的同时也会表达鼠源Atxn3基因。RT-qPCR结果显示B6-hATXN3小鼠与B6-TG(ATXN3-84Q)小鼠在人源ATXN3基因表达水平上接近,并且B6-hATXN3仅表达人源基因,不表达鼠源基因。

 

图5 野生型小鼠(B6N)、B6-hATXN3小鼠和B6-TG(ATXN3-84Q)小鼠体内基因表达的检测

 

B6-hATXN3小鼠大脑成功表达人源ATXN3蛋白

 

Western Blot检测结果显示,野生型小鼠的脑部仅表达小鼠ATXN3蛋白(约42KD),而B6-hATXN3小鼠的脑部仅表达人源ATXN3蛋白(约48KD)。B6-TG(ATXN3-84Q)小鼠的脑部同时表达长PolyQ结构突变的人源ATXN3蛋白和小鼠ATXN3蛋白,存在人源ATXN3-84Q蛋白(约65KD)和小鼠ATXN3蛋白(约42KD)的条带。

 

图6 小鼠脑部组织中人源ATXN3蛋白表达的检测

 

总  结

B6-hATXN3小鼠模型(产品编号:C001398)能有效地表达人源ATXN3基因,且不表达小鼠内源性Atxn3基因。其脑部存在显著的人源ATXN3蛋白表达。因此,该模型可用于脊髓小脑性共济失调3型(SCA3)疾病的研究。

 

此外,赛业生物利用自主研发的TurboKnockout融合BAC重组技术,可以提供基于该模型构建的热门点突变疾病模型,并根据不同的点突变提供定制服务,以满足研发人员对SCA3疾病药物筛选和药效学等实验的需求。

 

 

参考文献:

[1]Klockgether T, Mariotti C, Paulson HL. Spinocerebellar ataxia. Nat Rev Dis Primers. 2019 Apr 11;5(1):24.

[2]Sullivan R, Yau WY, O'Connor E, Houlden H. Spinocerebellar ataxia: an update. J Neurol. 2019 Feb;266(2):533-544. doi: 10.1007/s00415-018-9076-4. Epub 2018 Oct 3.

[3]Matos CA, de Almeida LP, Nóbrega C. Machado-Joseph disease/spinocerebellar ataxia type 3: lessons from disease pathogenesis and clues into therapy. J Neurochem. 2019 Jan;148(1):8-28.

[4]Moore LR, Rajpal G, Dillingham IT, Qutob M, Blumenstein KG, Gattis D, Hung G, Kordasiewicz HB, Paulson HL, McLoughlin HS. Evaluation of Antisense Oligonucleotides Targeting ATXN3 in SCA3 Mouse Models. Mol Ther Nucleic Acids. 2017 Jun 16;7:200-210. 

[5]Toonen LJA, Rigo F, van Attikum H, van Roon-Mom WMC. Antisense Oligonucleotide-Mediated Removal of the Polyglutamine Repeat in Spinocerebellar Ataxia Type 3 Mice. Mol Ther Nucleic Acids. 2017 Sep 15;8:232-242.

[6]McLoughlin HS, Moore LR, Chopra R, Komlo R, McKenzie M, Blumenstein KG, Zhao H, Kordasiewicz HB, Shakkottai VG, Paulson HL. Oligonucleotide therapy mitigates disease in spinocerebellar ataxia type 3 mice. Ann Neurol. 2018 Jul;84(1):64-77.

[7]McLoughlin HS, Gundry K, Rainwater O, Schuster KH, Wellik IG, Zalon AJ, Benneyworth MA, Eberly LE, Öz G. Antisense Oligonucleotide Silencing Reverses Abnormal Neurochemistry in Spinocerebellar Ataxia 3 Mice. Ann Neurol. 2023 Oct;94(4):658-671.

脊髓小脑性共济失调
B6-hATXN3
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