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小鼠衰老模型及其与疾病的相关性

2018年10月15日 浏览量: 评论(0) 来源:Mechanisms of Ageing and Development Volume 160, December 2016, Pages 41-53 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:衰老是一个逐渐增加机体对死亡的脆弱性的过程。它影响不同的生物学途径,其基本的细胞机制是复杂的。鉴于人口老龄化疾病负担日益加重,正在加大努力以了解老龄化的途径和机制。我们回顾了一些常用于衰老研究的小鼠模型,突出了不同策略的优缺点,并讨论了它们与疾病易感性的相关性。
摘要:衰老是一个逐渐增加机体对死亡的脆弱性的过程。它影响不同的生物学途径,其基本的细胞机制是复杂的。鉴于人口老龄化疾病负担日益加重,正在加大努力以了解老龄化的途径和机制。我们回顾了一些常用于衰老研究的小鼠模型,突出了不同策略的优缺点,并讨论了它们与疾病易感性的相关性。除了介绍小鼠的遗传学和表型分析之外,我们还讨论了延迟或加速衰老模型及其通过热量限制的调控的实例。
 
关键词:衰老  小鼠模型  延缓衰老  加速衰老  热量限制
 
小鼠衰老模型:对老鼠的老化研究既昂贵又耗时。因此,使用加速老化和/或寿命缩短的小鼠研究衰老是诱人的。然而,这些研究应谨慎解释。这些小鼠可能表现出典型的衰老特征,但它们在正常老年小鼠中常表现出不可见的特征。早老综合症的患者中看到的,这是一种以儿童时期开始迅速出现老化为特征的遗传状况。虽然这些患者表现出一些正常老化的特征,但也表现出许多老年人看不到的特征。因此,所有可用的加速老化小鼠模型都不能完全代表小鼠的正常老化。加速老化的小鼠模型可以提供对正常生理老化中恶化的机制以及前驱综合征中过早老化过程的洞察。对延缓衰老的小鼠的研究也可以为控制衰老率提供线索。这可能是开发药物以延缓衰老并延缓疾病进展的第一步。
 
早产儿综合征是极为罕见的人类疾病,其特征是早衰和缩短寿命。前列腺综合征包括影响核膜内稳态的层状病变(HGPS)和影响DNA修复机制和端粒长度的疾病,如Cockayne综合征、Werner综合征(WS)、共济失调毛细血管扩张症和三硫代营养不良。这些条件显示出人类正常衰老生理的许多特征,并且鉴定导致这些特征的突变使得能够产生过早老化的小鼠模型。Wolfram综合征(WFS)是由WFS1基因突变引起的一种非常罕见的遗传性疾病,其特征为尿崩症、糖尿病、视神经萎缩和耳聋(DIDMOAD)。WFS的寿命减少了,平均预期寿命为30年。虽然WFS1的具体功能尚不清楚,但WFS1基因编码的跨膜蛋白Wolframin被认为参与调节内质网(ER)应激和钙稳态。
 
Hutchinson-Gilford 早衰综合征小鼠模型:HGPS在生命的最初两年开始,平均预期寿命为13.5年。患者显示生长迟缓,?脂肪代谢障碍,硬皮病,骨畸形和发育不全。心血管并发症,如心肌梗死或由于动脉粥样硬化过早引起的中风,是最常见的死亡原因。HGPS是一种由核纤层A(LAMNA)中的新点突变引起的早产儿板层病变。该基因编码A型层粘连蛋白(LAMIA/C),形成核包膜。突变改变细胞核形态和功能,导致基因组不稳定性,并引发异常细胞增殖。最常见的HGPS突变是C端结构域的缺失,该缺失消除了锌金属蛋白酶ZMPSTE24法尼基化的蛋白水解裂解位点。结果是一种被称为PraveRin的法尼基化异常蛋白的积累,这也发生在正常的老化过程中。
 
HLAS小鼠模型:是基于LAMNA基因或其加工酶修饰的层状病变模型。LmnaHG基因敲入小鼠只表达progerin(层粘连蛋白A未被法尼化的形式),其积累导致核膜改变。这些小鼠失去皮下脂肪和毛发,发展骨质疏松症,在没有心血管疾病的情况下过早死亡。LMNAG609G小鼠由于基因的缺陷剪接也积累了早衰蛋白,发育异常核。在三周大的时候,它们表现出生长迟缓、体重增加减少、脊柱弯曲和血管钙化,并且在大约3.5个月时死亡。他们还发展低血糖和降低胰岛素样生长因子水平。基因敲除小鼠模型(zmpste24 zmpste24-/ -鼠)显示法尼基化前体蛋白A的积累。虽然缺乏ZMPSTE24基因会导致围产期死亡,但Zmpste24-/-小鼠是可行的,并且表现出与HGPS患者相似的表型。Zmpste24-/-小鼠模型其一出现生长迟缓、脱发、肌肉无力和骨折,而另一只则出现扩张性心肌病、肌营养不良和脂肪营养不良,过早死亡。
 
Werner综合征小鼠模型的建立:WS患者有白内障,生长迟缓,早期?泛灰,脱发,硬皮病样皮肤改变、骨质疏松症、糖尿病、动脉粥样硬化和高的癌症患病。该病是由Werner综合征ATP依赖性螺旋酶(WRN)突变引起的,WRN是一种具有螺旋酶和外切核酸酶活性的酶,参与DNA代谢和端粒内稳态。基因缺陷导致基因组不稳定性,包括受损的DNA损伤修复和异常增殖。已经生成了几种WS小鼠模型。WRN(Wrn-/-小鼠)螺旋酶单元缺陷的小鼠显示高甘油三酯血症、胰岛素抵抗、活性氧(ROS)水平升高、氧化性DNA损伤、癌症发病率增加和寿命缩短。虽然Wrn-/-小鼠表现出与WS患者相似的分子和细胞改变,但它们不产生加速老化的症状。. 然而,缺乏Wrn和端粒酶RNA组分(也称为Terc)基因的双突变小鼠重现了与WS密切相关的前驱体症状。这些小鼠表现出端粒缩短、过早死亡、头发变白、脱发、骨质疏松、II型糖尿病、白内障、染色体不稳定性增加和癌症。这些研究表明端粒消耗是WS缺陷表现的一个关键因素。类似地,Wrn-/-p53-/-双缺陷小鼠比Wrn+/-p53-/-小鼠具有更高的死亡率,可能是由于基因组不稳定性增加或WRN缺陷加速了癌症表型。
 
Walfram综合征小鼠模型:WFS1基因的功能尚不清楚,但有证据表明它参与了细胞的存活和变性。WFS1缺乏症小鼠模型显示非功能性Wfs1基因导致生长迟缓并缩短预期寿命。此外,这些小鼠显示出退化生物学过程的激活,导致胰岛、体重和生育力的减少。WFS1缺陷小鼠具有永久激活的ER应激,导致多种组织变性。三个不同的组已经开发了WFS1缺陷小鼠。第一只WFS1突变小鼠是通过将新霉素(Neo)抗性盒插入Wfs1基因的外显子2而发展起来的,导致大脑、心脏和胰岛中转录本剪接的改变。新插入产生氨基末端截短的WFS1蛋白,由于翻译从一个内部起始密码子开始。在集成数据库中注释至少三个转录本。因此,这种新盒敲入可能会导致WFS1蛋白截短而不干扰阅读框。这些WFS1突变小鼠的非禁食血糖水平在大约16周龄时开始升高,到36周龄时,超过一半的小鼠患有明显的糖尿病。 有趣的是,这种作用依赖于小鼠的遗传背景,而在C57BL/6J背景中没有观察到糖尿病。同样,这强调了遗传背景对表型的影响。此外,在这些小鼠中发现胰岛素分泌显著减少和凋亡增加。胰岛素分泌减少是由于WFS1缺陷的β细胞刺激与分泌的偶联受损所致。有趣的是,作者没有看到体重减轻、失明或WFS的任何其他特征。总的来说,这些发现表明不同的WS小鼠模型是研究年龄相关过程和退化的良好模型。
 
线粒体突变与衰老:年龄与线粒体突变的积累和线粒体功能的衰减有一定的相关性。因此,推测线粒体的变化与年龄相关性疾病的发展之间也可能有因果联系。与核DNA一样,在复制过程中有保持线粒体基因组完整性的特定机制。该全酶由POLGA编码的催化亚基和由POLG2编码的二聚亚基组成。在野生型小鼠中,通过取代Asp198、Glu200等关键残基,可大大降低polγ的校对活性,从而提高polγ的固有错误率。这种固有的错误率被认为是老化期间线粒体基因组中突变累积的主要原因。因此,通过降低线粒体polγ的效率,从而减少线粒体突变的积累,可以在这些小鼠中研究线粒体功能障碍与年龄相关表型的关系。在两项独立的研究中,通过突变临界Asp257来抑制小鼠的polγ校对阅读,导致与年轻小鼠的老化发展有关的几种表型。这两组突变小鼠都表现出后凸、脱发、贫血和体重减轻,在分离的研究中,它们的平均寿命显著缩短到48周和59周。40周POLG小鼠脂肪减少、骨密度降低和心肌病。2个月大的突变小鼠的线粒体表现出明显更高的突变负荷,从而暗示突变累积发生在发育过程中。尽管在这个年龄段有显著的突变负荷,但早期发病的衰老表型是不可检测的。相反,当观察到加速老化表型时,突变率在6个月龄时没有显著增加。这些表型可能是由功能失调的线粒体的积累引起的,可能是由突变的线粒体的克隆性扩增引起的,导致ROS /细胞凋亡水平的增加和伴随的组织功能丧失。总之,PolG小鼠在其mtDNA中发生了显著增加的突变负载,并在早期形成许多与年龄相关的表型。然而,突变负荷和加速老化之间的联系,以及所观察到的表型是否真正加速老化,并没有得到结论性的证明,即使PolG小鼠的表型看起来衰老得更快。另一项小鼠研究证实线粒体DNA突变与衰老之间存在因果联系,表达POLGA的阅读缺陷小鼠的纯合子敲除显示出寿命减少和早衰相关的表型如体重减轻、皮下脂肪减少、脱发、驼背、骨质疏松、贫血、生育率降低和心脏增大。
 
炎性衰老:衰老的特点是慢性低度炎症,这种现象被称为“炎症”。因此,在小鼠中干扰炎症信号转导导致几种具有加速延迟老化表型的小鼠模型,例如脑特异性IKKβ敲除小鼠、Nfkb1-/-小鼠和IL-10缺陷小鼠。活化B细胞核因子κ-轻链增强子(NF-κB)是控制DNA转录、细胞因子产生和细胞存活的蛋白质复合物,在调节免疫应答中起关键作用。在失活状态下,NF-κB位于与抑制性蛋白IκBα复合的细胞质中。. IκB激酶(IKK)能够磷酸化IκBα,最终导致IκBα降解,随后激活的NF-κB转运到细胞核,随后转录激活。有趣的是,NF-κB活性的改变严重影响小鼠的寿命和健康范围。与野生型小鼠相比,脑特异性IKKβ敲除小鼠表现出明显的长寿表型。令人惊讶的是,这还与认知的改善和防护老化引起的肌肉和皮肤萎缩、骨丢失和胶原蛋白交联有关。因此,当它们仍然老化时,这些脑特异性的IKKβ敲除似乎比正常小鼠衰老得慢。相比之下,Nfkb1的丢失加速了可观察到的与年龄相关的特征,从而导致寿命的缩短:虽然所有的Nfkb1+/+动物在1岁时仍然存活,但是此时只有70%的Nfkb1-/-小鼠仍然存活。此外,这些小鼠显示出与年龄相关的骨骼过早改变、组织炎症和中枢神经系统胶质增生增加、凋亡减少和细胞衰老增加。有趣的是,端粒功能失调衰老细胞在Nfkb1-/-组织中的积累可以通过小鼠的抗炎或抗氧化治疗来阻断,这突出了这些小鼠在研究年龄相关干预方面的潜在应用。白细胞介素-10(IL-10)是一种具有抗炎活性的细胞因子,通过抑制巨噬细胞活化和抑制Th1细胞产生的炎性细胞因子的产生。
 
加速老化的其他小鼠模型:还描述了其他具有加速老化表型的小鼠,如KLotho缺陷小鼠和DNA修复突变小鼠。有趣的是,Klotho在小鼠中的缺失对预期寿命有很大影响,而Klotho的过度表达延长了人的寿命,并且Klotho的功能变异与长寿群体或与人类年龄相关表型的发病和严重程度有关。另一方面,XPD突变的小鼠,其编码参与修复和转录的DNA螺旋酶,表现出许多过早老化的症状,包括骨质疏松、后凸、骨硬化、早发灰、恶病质、不育和寿命缩短。类似地,切除修复交叉互补基因突变致残的基因工程小鼠在DNA修复方面存在缺陷,并伴有代谢应激引起的生理变化,导致过早老化。
 
人们普遍认为,卡路里限制(CR)是延缓衰老过程和支持健康衰老的最有效的已知方法之一。在不同的小鼠模型中,CR降低与年龄相关的慢性疾病的危险因素,如心血管疾病(CVD)、糖尿病、神经元、自身免疫、肾脏、呼吸道疾病和癌症。许多研究人员通过减少食物总量或减少饮食中碳水化合物、脂肪或蛋白质的量来限制卡路里的消耗。其他动物则采用限时喂养(tRF),即动物每天只能获得四到八个小时的食物,但所消耗的卡路里的总量并不受限制。在间歇性卡路里限制(ICR)或间歇性禁食(IF)中,动物在一周中的某些天可以获得食物,而慢性卡路里限制(CCR)在整个研究中食物受到限制。这些研究报告了不同类型的饮食方案对衰老或年龄相关疾病的有益作用。小鼠通常被用来研究CR对衰老和年龄相关疾病的影响。它们可用于研究CR对寿命或健康寿命的影响,因为它们在系统发育上与人类接近,并且比无脊椎动物更容易受到CR协议的影响。对小鼠模型的研究表明,限制热量摄取40-60%可延长30-50%的寿命,并降低与年龄有关的功能丧失和疾病,包括神经变性的发生率。
 
总结:虽然小鼠可能不是研究衰老的理想模型,但它作为哺乳动物生物学模型的应用将继续对疾病的病理生物学、与衰老有关的基本过程以及衰老与疾病之间的关系提供重要的见解。我们给出一些例子,说明加速衰老和延迟衰老的小鼠模型如何提供对正常生理衰老过程和早老在早老综合征中的致病机制的洞察。CR延缓衰老的能力在广泛的小鼠衰老模型中得到了彻底的验证。自交系在遗传多样性方面是有限的,因此发展出特有的表型,易于操纵遗传,并且可以获得广泛的基线数据。另一方面,近交系小鼠更代表人类的遗传多样性,但它们在改变基因组方面存在问题。虽然许多实验室使用类似的技术来研究衰老,但迫切需要开发标准化的表型,以跨越反映患者脆弱性的一系列生理系统。这将产生关于特定途径的更加一致的数据,这些特定途径对于老龄化至关重要。
 
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