A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
A reverse-genetics approach to understanding gene families associated with human disease is presented, using mouse as a model system, and the subsequent mouse phenotyping schedule is described. Because mice defective in a gene of interest, HtrA2, manifested Parkinsonian symptoms, the phenotyping regimen is focused on identifying neurological defects.
Age-related diseases are becoming increasingly prevalent and the burden continues to grow as our population ages. Effective treatments are necessary to lessen the impact of debilitating conditions but remain elusive in many cases. Only by understanding the causes and pathology of diseases associated with aging, can scientists begin to identify potential therapeutic targets and develop strategies for intervention. The most common age-related conditions are neurodegenerative disorders such as Parkinson's disease and blindness. Age-related macular degeneration (AMD) is the leading cause of blindness in the elderly. Genome wide association studies have previously identified loci that are associated with increased susceptibility to this disease and identified two regions of interest: complement factor H (CFH) and the 10q26 locus, where the age-related maculopathy susceptibility 2 (ARMS2) and high-temperature requirement factor A1 (HtrA1) genes are located. CFH acts as a negative regulator of the alternative pathway (AP) of the complement system while HtrA1 is an extracellular serine protease. ARMS2 is located upstream of HtrA1 in the primate genome, although the gene is absent in mice. To study the effects of these genes, humanized knock-in mouse lines of Cfh and ARMS2, knockouts of Cfh, HtrA1, HtrA2, HtrA3 and HtrA4 as well as a conditional neural deletion of HtrA2 were generated. Of all the genetically engineered mice produced only mice lacking HtrA2, either systemically or in neural tissues, displayed clear phenotypes. In order to examine these mice thoroughly and systematically, an initial phenotyping schedule was established, consisting of a series of tests related to two main diseases of interest: AMD and Parkinson's. Genetically modified mice can be subjected to appropriate experiments to identify phenotypes that may be related to the associated diseases in humans. A phenotyping regimen with a mitochondrial focus is presented here alongside representative results from the tests of interest.
גיל הקשורים במחלות הופכות נפוצות יותר ויותר בחברה מודרנית. ככל שמדע הרפואה משפר שתוחלת החיים, האוכלוסייה ממשיכה גיל והנטל של מחלות אלה גדל. טיפולים יעילים נחוצים כדי להפחית את ההשפעה של תנאים מתישים אבל להישאר חמקמקים במקרים רבים. רק על ידי הבנת הגורמים ופתולוגיה של מחלות הקשורות להזדקנות מדענים יכולים להתחיל לזהות מטרות טיפוליות פוטנציאל ולפתח אסטרטגיות להתערבות. מצבים שכיחים כתוצאה מהזדקנות כוללים הפרעות ניווניות כגון מחלת פרקינסון (PD) וניוון מקולרי הקשור לגיל (AMD). PD הוא הפרעת תנועה הנפוצה ביותר הנגרמת על ידי ניוון מוחיה בבני אדם. רוב חולי פרקינסון להראות תסמינים כגון נח רעד, bradykinesia ונוקשות אחרי 50 שנים של גיל. התחלה מוקדמת גם נצפתה כ -10% מהמקרים.
AMD הוא הגורם המוביל לעיוורוןקולטני האור קשישים, נזק בהדרגה אפיתל הפיגמנט ברשתית (RPE) בעיניים. הראייה המרכזית נפגעת אבל חזון הפריפריה היא בדרך כלל לא מעושה. ישנן שתי צורות של AMD. בטופס "יבש", פיקדונות חלבון תאי המכונה טופס דרוזן בין הרשתית ואת הממברנה של ברוך (BM), מה שמוביל אטרופיה גיאוגרפית וטשטוש ראייה מרכזית. החמור יותר "רטוב" תוצאות טופס מ נאווסקולריזציה מן דמית פני BM לתוך שכבות הרשתית ואת קולטי האור ויכול להוביל hamorrhaging מתחת הרשתית הגורמת נזק בלתי הפיך רקמת הרשתית. הגנום במחקרי קשר רחב זיהו בעבר לוקוסים המשויכים רגישות מוגברת למחלות הזה, והתייחס לשני אזורים של עניין: H גורם המשלים (CFH) על כרומוזום 1 ואת מוקד 10q26, שבו הרגישות Maculopathy הקשורות לגיל 2 (ARMS2) ו A1 גורם הדרישה בטמפרטורה גבוהה (HtrA1) הגנים ממוקמים 1-5 . שילובים של אללים אלה מעלים את סבירות AMD באופן מינון תלוי SNPs הספציפי ניתן לשייך מעדיף עם או הצורות הרטובות או יבשות של AMD 3-6.
CFH פועלת כרגולטור שלילי של הנתיב החלופי (AP) של המערכה המשלים על ידי עיכוב ההפעלה של C3. פולימורפיזם נוקלאוטיד יחיד (SNP) נקשר לסיכון מוגבר AMD, גרימת חילופי טירוזין 402 אקסון 9 עם היסטידין עקב T ל- C החלפה 1. ב AMD הוא האמין כי AP הוא misregulated בגלל אובדן התפקוד של CFH אבל אם SNP ממלא תפקיד סיבתי ברור. אחת ההשערות היא כי היסטידין בעלי מטען חשמלי חיובי הוא חשב לשלול את היכולת של CFH להיקשר אינטראקציה חלבונים C-reactive 1,7 חלבון הפרין סולפט. במחקרים במבחנה של CFH Y402H לספק תוצאות סותרות על ההבדלים הפונקציונליים בין גרסאות, וב vivo עבודה CFH - / - בעכברים המבטאים CFH אנושי הוא 8 מתמשך. ARMS2 ממוקם במעלה הזרם של HtrA1 בגנום הפרימטים, למרות הגן התאור בעכברים. HtrA1 הוא פרוטאז סרין אבל ARMS2 מאופיין גרוע. לחוסר-היציבות ההצמדה בין SNPs שעבר על המקורות הקשורים AMD עשו את זה קשה לקבוע את התרומה לסיכון של מוטציות בודדות של הגנים באזור זה, אולם מחקר חדש הציע שזה ביטוי יתר של HtrA1 ולא ARMS2 שמוביל נאווסקולריזציה ו פיקדונות חלבון subretinal 9-11. עם זאת, קרבתה של גני מוקד זה עשויה לאפשר אינטראקציות כי לא ניתן ללמוד באמצעות transgenes מוכנס באופן אקראי.
בנוסף AMD, משפחת HtrA של סרין פרוטאז נקשרה עם מחלות אנושיות רבות. כל חלבוני HtrA להכיל דומיין פרוטאז סרין ואחריו לפחות תחום אחד PDZ C- מסוף. HtrA1, HtrA3 ו HtrA4 חולקים את גרהומולוגיה eatest, המורכב פפטיד האות, גורם גדילה דמוי אינסולין תחום מחייב, תחום מעכב פרוטאז Kazal, התחום פרוטאז סרין ואת תחום PDZ. יש HtrA2 חנקן הסופית- שונה, מורכב תחום רצף לוקליזציה המיטוכונדריה, הטרנסממברני מעכב של תחום מחייב אפופטוזיס ואחריו תחומי פרוטאז ו PDZ 12-16. HtrA1 היונק מוסדר על ידי שיפוץ הנגרמת מצע האתר הפעיל של תחום פרוטאז שלה 17-20, ו HtrA2 יכול גם להיות מווסת על ידי אינטראקציה בין פרוטאז סרין ותחומי PDZ מדכא פעילות הפרוטאז 21. מעניין לציין, כי תחום PDZ אינו מופיע להעניק רגולציה דומה HtrA3 16. פרוטאזות HtrA ניתן לווסת גם על ידי גורמים חיצוניים: זה הודגם לאחרונה כי קיימת אינטראקציה בין הרגולציה HtrA1 ו protoporphyrins 22 ו HtrA2 יכול להיות מוסדר על ידי זרחון באקטיבציה של קינאז MAP p38מסלול באופן PINK1 תלוי 23. המחיקות של חברים בודדים של משפחת HtrA בעכברים תועד, אולם תופעות מכניסטית בעיקר אינם ברורים בין היתר בשל חוסר פנוטיפים גלוי.
HtrA1 ממלא תפקיד חשוב בבקרת איכות חלבון ויסות לא תקין או מוטציה שלו נמצא קשור למחלות רבות אנושיים שונים כולל דלקת פרקים, סרטן וסיכון מוגבר של AMD 3,4,24-32. אובדן תפקוד HtrA2 ברקמות עצביות נקשר עם פנוטיפים PD בבני אדם ועכברים, בעוד ההפסד שלה מתוצאות רקמות שאינן עצביות ההזדקנות מואצת 33-37. Dysregulation HtrA3 נקשרה עם מחלות כולל רעלת הריון וסוגים מסוימים של סרטן 38,39. Up-רגולציה של HtrA4 נצפתה השליות של חולי רעלת הריון אבל עכברי בנוקאאוט אינו מציגה פנוטיפ גלוי 40,41. חוסר פנוטיפים שנצפה כמה עכברים בנוקאאוט כברהניחו להיות תוצאה של פיצוי בין בן משפחה HtrA: הוא חשב כי הן HtrA4 ו HtrA1 אינטראקציה עם משפחת TGF-B של חלבונים, המאפשר פיצוי ידי HtrA1 על מחיקת HtrA4 41. בדומה לכך, הוא חשב כי מאז HtrA1 ו HtrA3 יש רמה גבוהה של homologies תחום שיצטרכו פונקציות משלימות 42. עם זאת, הוצע כי חלבוני HtrA ייתכן תפקידים אנטגוניסטית חלקית, מתחרים להסדיר מטרות משותפות 43.
כדי להמשיך לחקור סיכון אלו שלושה גורמי קווי עכבר נוק-ב מואנשים נוצרו. בשנת CFH TM1 (CFH * 9) jhoh ו CFH TM2 (CFH * 9) jhoh, אקסון 9 של הגן CFH מוחלף אקסון 9 של homologue האדם. CFH TM1 (CFH * 9) jhoh המקודד את טירוזין הקשורים שאינם המחלה שאריות במיקום 402, ואילו CFH TM2 (CFH * 9) jhoh נושא את Y402H, SNP הקשורים בסיכון. בARMS2 tm1jhoh רצף ARMS2 אדם היה ממוקד לאזור במעלה הזרם של HtrA1. רצף STOP-ולצדו loxP להציב במעלה זרם של רצף הגן אבל במורד הזרם של אמרגן UbiC הכלול היה נכרת על ידי חצייה לעכברי OzCre, מבטאי Cre recombinase תחת השליטה של אמרגן Rosa26, כפי שתוארו לעיל 34. נוסף על אלה עקום בתורים, אללים בנוקאאוט מותנה עבור CFH ו HtrA1 (CFH tm1jhoh ו tm1jhoh HtrA1), כמו גם את בני המשפחה HtrA ידועים אחרים נוצרו: HtrA2 (HtrA2 tm1jhoh), HtrA3 (tm1jhoh HtrA3) ו HtrA4 ( HtrA4 tm1jhoh). Knockouts ניבט אונליין נוצר על ידי חציית עכברי OzCre לבעלי החיים המהונדסים כדי לאגף אקסונים ספציפית עם אתרי loxP, כך מחיקה גורמת לשינוי מסגרת ו / או מחיקה של התחום הפעיל (CFH; אקסון 3, HtrA1; אקסונים 2-3, HtrA2: אקסונים 2-4, HtrA3; אקסון 3, HtrA4; אקסונים 4-6) 34,41. מחיקה עצבית של HtrA2, שנמחקה באמצעות Cre recombinase תחת השליטה של אמרגן Nestin (HtrA2 flox; Tg (נוס-cre) 1Kln / J), אף תואר 34. עכברים רק חסרי HtrA2, או מערכתי או ברקמות עצביות, מוצגים פנוטיפים ברורים, עם הצגת פנוטיפים פרקינסון.
מכיוון שחלק מהגנים הללו אינטרסים הניחו להיות מקומי כדי המיטוכונדריה 11,44-47, ומחיקה של HtrA2 שנוצר פנוטיפים פרקינסון, משטר phenotyping עם דגש המיטוכונדריה ונוירולוגיות מתואר כאן לתוצאות נציג בדיקות עניין מסופקים . על מנת לבחון עכברים מהונדסים גנטי מיוצרים לחקור אדם, מחלות הקשורות לגיל ביסודיות ואת לוח זמני phenotyping ראשוני שיטתי הוקם, מורכב מסדרה של בדיקות קשורות השני הראשימחלות של עניין: AMD ופרקינסון.
אתיקה הצהרה: מחקרים שכללו חיות נערכו בהתאם המכונים הלאומיים המלצות הבריאות מדריך לטיפול ושימוש בחיות מעבדה טיפול בבעלי חיים מוסדיים ועדת שימוש (IACUC) באוניברסיטת ייל.
בדיקות התנהגותיות 1. של עכברים מהונדסים גנטית
הערה: כל העכברים צריכים להיות כפופים לאותה משטר הבדיקות להגביל הבדלי התרגלות טיפול. בדיקות יש לבצע בו זמנית של יום בכל פעם.
בחינת 2. מבנה רשתית
3. histochemical מכתים
סעיף זה מתאר דוגמאות של תוצאות השגה באמצעות שיטות אלה. במבחן-הגפיים האחוריות, מספר ניסיונות למשוך עשה ואת חביון ליפול מסוכמים על שתי בדיקות רצופות עבור כל יום. בדיקה זו יכולה לשמש כדי להשוות קבוצות שונות גנטית להבחין עכברים עם כוח התוקפת מופחת t...
טיפולים חזקים נדרשים להגביל את שפעת תנאים מתישים הקשורות להזדקנות אדם, אבל הם נשארים חמקמקים עבור מחלות אלו. כדי לזהות מטרות טיפוליות פוטנציאל ולפתח אסטרטגיות להתערבות, הגורמים ופתולוגיה של מחלות הקשורות להזדקנות יש להבין תחילה. לא כל העכברים המהונדסים גנטי מייד נו...
The authors have no competing interests to disclose.
מימון למחקר זה בא קרן רפואי Rosebay ואת קרן מחקר של בית הספר לרפואה של אוניברסיטת ייל דין (JH). אנו מודים לד"ר קלייר קניג לעזרה עם ניסויים התנהגותיים. גנטית קווי עכבר Engineered נוצרו ב Ozgene (פרת ', אוסטרליה).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Ethanol | Decon (Fisher Scientific) | 435541 | |
50 ml conical tube | Fisher Scientific | 1443222 | |
cotton balls | Walmart | ||
heat mat | Sunbeam | 0000756-500-000 | |
Holding tray (ice cube tray) | Walmart | ||
Electronic stopwatch | GOGO | PC396 | |
Plexiglass box | constructed in workshop | 12" by 12" | |
Vixia HF R400 Camcorder | Canon | 8155B004 | |
9 oz Clear Cups | Walmart | ||
1/4 inch wire mesh | Home Depot | 204331884 (online) / 554219 (in store) | 12" by 12" |
Bubble wrap | VWR | 470092-416 | |
Straight specimen forceps | VWR | 82027-438 | |
Fine-tip dissecting forceps | VWR | 82027-408 | |
Fine scissors | VWR | 82027-578 | |
Paraformaldehyde 16% solution | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
10x phosphate buffered saline pH 7.4 | American Bioanalytical | AB11072-04000 | |
Sucrose | JT Baker | 4072-01 | |
superfrost slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Hematoxylin Stain Solution | Fisher Scientific (Ricca) | 353016 | |
Eosin Y Stain Solution | Fisher Scientific (Ricca) | 2845-32 | |
Tris hydrochloride | Sigma | T3253 | |
Tris | American Bioanalytical | AB02000-01000 | |
Nicotinamide adenine dinucleotide, reduced disodium salt hydrate | Sigma | N8129 | |
Nitrotetrazolium Blue chloride | Sigma | N6876 | |
Acetone | JT Baker | 9006-05 | |
Sodium phosphate monobasic monohydrate | Sigma | S9638 | |
Sodium phosphate dibasic heptahydrate | Sigma | S9390 | |
Sodium succinate dibasic hexahydrate | Sigma | S2378 | |
VectaMount aqueous mounting medium | Vector Labs | H-5501-60 | |
Cover glass | Fisher Scientific | 12-545-M | 60 mm x 24 mm |
AxioImager A1 microscope | Zeiss | ||
Video camera tripod | Amazon | ||
Optimal Cutting Temperature (OCT) | Fischer Scientific | 23730571 | |
Cryostat Sectioning Machine | Leica | CM1900 | Discontinued but since replaced by CM1950 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved