老化のヒトの疾患に関与する遺伝子を研究するために使用される遺伝子改変マウス用表現型レジメン

要約

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.

要約

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.

概要

加齢関連疾患は、現代社会でますます普及してきています。医学が向上し、平均余命が増加すると、人口は年齢に続き、これらの疾患の負担が大きくなります。有効な治療法は衰弱させる条件の影響を軽減するために必要であるが、多くの場合、とらえどころのないまま。唯一の加齢に伴う疾患の原因と病態を理解することによって、科学者たちは、潜在的な治療標的を同定し、介入のための戦略を開発するために始めることができます。一般的な加齢関連状態は、パーキンソン病（PD）及び加齢性黄斑変性症（AMD）などの神経変性疾患が挙げられます。 PDは、ヒトにおいて神経変性によって引き起こされる最も一般的な運動障害です。ほとんどのPD患者は、年齢の50年後振戦、動作緩慢、剛性を休んなどの症状を示しています。早期発症はまた、症例の約10％において観察されています。

AMDは失明の主要な原因であります目の中の高齢者、漸進的にダメージを与える光受容体および網膜色素上皮（RPE）。中心視力が損なわが、周辺視野は、一般的に影響を受けません。 AMDの2つの形式があります。 「ドライ」の形式では、RPEとブルッフ膜（BM）との間のドルーゼンの形として知られている細胞外タンパク質の沈着は、地理的萎縮につながると中心視力のぼやけ。より深刻な「ウェット」フォームRPEと感光層へのBM全体の脈絡膜から新生血管形成の結果とは、網膜組織に永久的な損傷を引き起こす網膜の下にhamorrhagingにつながることができます。染色体1および10q26座、加齢性黄斑変性症の感受性2（ARMS2）との補体因子H（CFH）：ゲノムワイド関連研究では、以前にこの疾患に感受性の増加に関連付けられており、関心の2つの領域を同定された遺伝子座を同定しました高温要件因子A1（HTRA1）遺伝子が^1-5位置しています。これらの対立遺伝子の組み合わせは、用量依存的にAMDの可能性を増加させ、特定のSNPを優先AMD ^3-6の湿潤または乾燥形態のいずれかに関連付けることができます。

CFHはC3の活性化を阻害することによって補体系の代替経路（AP）の負の調節因子として作用します。一塩基多型（SNP）が原因でC置換^1〜Tにヒスチジンとエクソン9におけるチロシン402の交換を引き起こし、AMDのリスクの増加に関連しています。 AMDでは、APが原因CFHの機能の喪失が、SNPは因果的役割は不明である果たしているかどうかを誤調節されると考えられています。 1つの仮説は、正に荷電したヒスチジンは、タンパク質C反応性タンパク質、およびヘパリン硫酸^1,7相互作用に結合するCFHの能力を無効にすると考えられることである。CFH Y402Hのインビトロ研究は、変異体間の機能の違い上矛盾する結果を提供し、 中in vivoでの作業 CFH ^{- / -}ヒトCFHを発現するマウスは^、8進行中です。遺伝子は、マウスには存在しないもののARMS2は、霊長類ゲノムにおけるHTRA1の上流に位置します。 HTRA1は、セリンプロテアーゼであるが、ARMS2が不十分に特徴付けられます。 AMD関連遺伝子座におけるSNPの間の連鎖不均衡は、それが困難なこの地域の遺伝子の個々の突然変異のリスクへの寄与を決定するために作られましたが、最近の研究は、それが血管新生につながるというARMS2よりHTRA1の過剰発現があることが示唆されていると網膜下のタンパク質沈着^9-11。しかし、この遺伝子座における遺伝子の近接は、ランダムに挿入された導入遺伝子を用いて研究することができないの相互作用を可能にすることができます。

AMDに加えて、セリンプロテアーゼのhtrAのファミリーは、多くのヒトの疾患に関連しています。すべてhtrAのタンパク質は、少なくとも1つのC末端PDZドメインに続くセリンプロテアーゼドメインを含みます。 HTRA1、HtrA3とHtrA4はグラムを共有しますシグナルペプチド、インスリン様成長因子結合ドメイン、カザールプロテアーゼインヒビタードメイン、セリンプロテアーゼドメインおよびPDZドメインからなるeatest相同性。 HtrA2は異なるミトコンドリア局在配列からなるN末端 ​​、膜貫通ドメインおよびプロテアーゼおよびPDZドメイン^12-16に続いてアポトーシス結合ドメインの阻害剤を持っています。哺乳類HTRA1は、そのプロテアーゼドメイン^17-20の活性部位における基質誘導性のリモデリングによって調節され、HtrA2はまた、プロテアーゼ活性^21を抑制するセリンプロテアーゼとPDZドメインの相互作用によって調節することができます。興味深いことに、PDZドメインはHtrA3 ¹⁶と同様の規制を付与することが表示されません。 htrAのプロテアーゼはまた、外因性因子によって調節することができる。それは、最近HTRA1およびプロトポルフィリン²²とHtrA2の間の調節的相互作用は、p38 MAPキナーゼの活性化によってリン酸化によって調節することができるが存在することが実証されましたPINK1依存的²³で経路。マウスでのhtrAのファミリーの個々のメンバーの削除は、しかし、機械的な影響はほとんどが部分的に目に見える表現型の欠如に不明確である、文書化されています。

HTRA1は、タンパク質品質管理において重要な機能を果たしており、その制御ミスまたは変異は、関節炎、癌およびAMD ^3,4,24-32のリスクの増加など、さまざまなヒト疾患と関連しています。加速中の非神経組織の結果から、その損失は^33-37老化しつつ神経組織におけるHtrA2機能の喪失は、ヒトおよびマウスにおけるPDの表現型と関連しています。 HtrA3の調節不全は、子癇前症および癌^38,39の特定の種類を含む、疾患に関連しています。アップレギュレーションHtrA4のは、子癇前症患者の胎盤で観察されているが、ノックアウトマウスは明白な表現型^40,41は表示されません。いくつかのノックアウトマウスで観察された表現型の欠如がありましたhtrAのファミリーメンバー間の補償の結果であると仮定：それはHtrA4とHTRA1両方がHtrA4 ⁴¹の削除時にHTRA1により補償を可能にする、タンパク質のTGF-Bファミリーと相互作用すると考えられています。同様に、HTRA1とHtrA3がドメイン相同性の高い学位を持っているので、それらが相補機能^42を持っているかもしれないと考えられています。しかし、一般的なターゲット^43を調節するために競合する、htrAのタンパク質は、部分的に拮抗的役割を有し得ることが示唆されています。

さらに、これらのリスクを調査するためには、3つのヒト化ノックインマウス系統が生成された要因。 CFH ^{TM1（CFH * 9）jhoh}とCFH ^{TM2（CFH * 9）jhohは} 、CFH遺伝子のエキソン9はヒト相同体のエクソン9で置換されている。CFHの^{TM1（CFH * 9）jhohは、}非疾患関連チロシンをコード化するにはY402H、リスク関連SNPを運ぶ^jhoh CFH ^{TM2（CFH * 9）}に対し、402位の残基、。に人間ARMS2シーケンス^tm1jhoh ARMS2は HTRA1の上流領域を標的としました。以前^34に記載^{されている}よう^に loxP隣接STOP配列遺伝子配列の上流に配置されなく含まUBICプロモーターの下流には、Rosa26遺伝子プロモーターの制御下でCreリコンビナーゼを発現する、OzCreマウスと交配することによって切除しました。加えて、これらのノックインライン、CFHおよびHTRA1（CFH ^tm1jhohとHTRA1の^{tm1jhoh）、}ならびに他の既知のhtrAのファミリーメンバーの条件付きノックアウト対立遺伝子が生成されました：HtrA2（HtrA2の^{tm1jhoh）、HtrA3（HtrA3} の^tm1jhoh）とHtrA4（ HtrA4の^{tm1jhoh）。}エクソン3、HTRA1;生殖ノックアウトは、欠失は、フレームシフトおよび/ ​​または活性ドメイン（CFHの削除を引き起こすように、loxP部位で特定のエキソンに隣接するように設計された動物にOzCreマウスを交配することによって作成されたエクソン2-3、HtrA2：エクソン2-4、HtrA3。エクソン3、HtrA4。エクソン^{4-6）34,41。}また^、34に記載されている、;ガラス転移温度（Tg（NES-CRE）1Kln / J HtrA2 ^FLOX）HtrA2の神経削除は、 ネスチンのプロモーターの制御下でCreリコンビナーゼを使用して削除しました。 HtrA2を欠くマウスのみ、いずれかの全身または神経組織では、パーキンソン病の表現型を呈する、明確な表現型を示しました。

関心のこれらの遺伝子のいくつかは、ミトコンドリア^11,44-47に局在することが仮定されており、HtrA2の削除はパーキンソン表現型を生成し、ミトコンドリアと神経学を中心とした表現型の計画はここに記載されており、関心の試験からの代表的な結果が提供されているので、 。初期の表現型のスケジュールが2メインに関連する一連のテストからなる、設立された徹底的かつ系統的、加齢関連疾患の人間を調査するために製造し、遺伝的に改変マウスを調べるために興味のある疾患：AMDおよびパーキンソン。

プロトコル

倫理文：動物に関わる研究は、実験動物の管理と使用に関するガイドとイェール大学の施設内動物管理使用委員会（IACUC）における衛生勧告の国立研究所に準拠して実施しました。

遺伝子改変マウスの1行動試験

注：すべてのマウスは取り扱いに慣れの違いを制限するために、同じ試験レジメンに供されるべきです。試験日の同じ時間に毎回実行されるべきです。

1. 新生児後肢テスト
   注：後肢試験は、近位後肢の筋肉の強さ、弱さや疲労を評価するために、P10に生後日（P）4から毎日行われています。
   1. 交通マウステストエリアへと試験前に30分間休ませることができます。
   2. Tの底部に2つ（P4-P8）または1（P9-P10）、コットンボールを押し込み、70％エタノールを用いて50mlコニカルチューブを洗浄することにより、試験装置を準備宇部および垂直位置に固定します。
   3. ケージから1子犬を削除し、重量を記録します。テストが行​​われていないときはいつでも熱パッドの上にトレイを保持するの子犬を保管してください。
   4. そっとそれはコットンボールに向かって下向きにされるように、円錐管の縁の上に新生児の後肢を一時停止します。作られたプル試行回数をカウントし、ストップウォッチを使用して落下するレイテンシを測定します。
   5. マーカーで子犬にラベルを付け、その後もう一度繰り返します。その後、つま先のクリッピングによってP6仔を識別します。交換する前に、ホームケージから寝具で穏やかに子犬をこします。
   6. 70％エタノールでコニカルチューブを拭きます。
   7. 全体のゴミがテストされるまで、次の子犬でのテストを繰り返します。
   8. コットンボールと円錐管で廃棄してください。 70％エタノールですべての機器を清掃してください。
2. 離乳観察試験
   注：離乳観察試験は、運動と一般的な活動のレベルを獲得するためにP19からP21に毎日投与されます。
   1. 検査領域Aに搬送マウスndは試験前に30分間休ませることができます。
   2. 70％エタノールで洗浄することにより、基材上に2インチの正方形の6x6のグリッドでマークされたプレキシグラスのテストボックスを用意します。全体ボックス視野にあるような側に映像機器を設定します。セットアップと新規性を導入することを避けるために、毎日同じことを周囲に保ちます。
   3. 清潔保持カップにケージや場所から1離乳を削除してください。レコードの重み。
   4. マウスの識別番号、年齢およびテストの日付で、テスト識別カードを撮影して、ビデオ録画を開始します。中央広場にカップを保持してから、マウスを転送します。 3分間の時間は、試験中、マウスの両方の前足が横断する行数をカウントします。
   5. きれいなケージとエンドビデオ録画にマウスを返します。
   6. 70％エタノールで試験装置を清掃してください。
   7. すべてのゴミがテストされるまで、その後ホームケージにすべての仔を返す繰り返します。
   8. 70％エタノールですべての検査機器を清掃してください。
   9. ビデオを使用して、マウスがサポートを明確に両方の前足で略で、目視観察した後に集計し、両前足をクリーニングに従事しているイベントを、グルーミングてイベントを飼育数を定量します。
3. ワイヤメッシュグリップ強度試験
   注：握力試験はP22とP26との間の交互の日に行われ、神経筋の​​強度を評価します。
   1. テストエリアへの交通マウスとは、試験前に30分間のホームケージで休むことができます。
   2. 70％エタノールでプレキシガラスボックスとメッシュグリッドを洗浄することにより、装置を準備します。箱の底にプチプチを置き、紙でカバーしています。
   3. 個々の保持カップに入れる3のグループに別々のマウス、。
   4. ワイヤーメッシュの中央に最初のマウスを置き、ゆっくりとプレキシガラス箱の底に柔らかい表面上に10〜20センチメートルを反転。ストップウォッチを使用して落下するレイテンシを測定します。マウスがない場合は60秒が経過した後にテストを終了秋。
   5. カップを保持するマウスを返し、70％エタノールでメッシュを拭くとプチプチの上に紙を交換してください。最初に戻る前にグループ内の残りの2匹のマウスに試験を行います。各マウスは、合計3回テストが完了するまで繰り返します。
   6. きれいなケージにグループを戻し、残りの基に進みます。どのグループでも、3匹のマウスよりも少ない場合、5分間トライアル回復間隔が許可されていることを確認。
   7. ホームケージにすべてのマウスを返し、70％エタノールで紙ときれいな検査機器を処分。

網膜構造の2.検討

1. 腹腔内ケタミン注射（100mg / kg）およびキシラジン（10mg / kg）により、P30-35に動物Anaesthetize。フットパッドをつまんで麻酔の深さを評価し、IACUCガイドラインに沿って、応答の不存在下でのみ進行します。 4％PFA / PBS ⁴⁸で灌流します。
2. 目を削除するには、切開SIで肌をきれいに頭蓋底の皮膚を切断する前に、70％エタノールでTE。 70％エタノールで頭蓋骨とクリーンを露出する肌をバックピール。きれいな楽器を使用して、慎重に眼窩に到達し、目を露出するように頭蓋骨を切断。優しくソケットから目を削除し、PBSですすぎ、視神経を切断。
3. 室温で10分間、4％PFA / PBS中で目を修正しました。
4. PBSを含む小さなペトリ皿に目を置きます。ステッチ除去はさみを使用して角膜の中央に小さな切開を行います。角膜と強膜の間のエッジを切断することにより、角膜を削除します。アイリスを削除するには、ピンセットを使用します。最後に、所定の位置に網膜無傷でレンズを残して、RPE層をはがします。
   注意：4％PFA / PBSの固定がRPEを簡単に網膜の外側から剥離することを可能にするRPEの剥離の原因となります。
5. 再修正室温で15分間、4％PFA / 30％スクロース/ PBSでPBSを含むペトリ皿に目を返す前に。 lenは引き出しそれとともに硝子体をもたらし、鉗子を使用してね。
6. 一晩4℃で30％スクロースでCryoprotect。
7. 最適切削温度化合物（OCT）と新鮮な10月を含む埋め込む金型への転送でコート目。矢状面は、できるだけ少ない動きを用いて気泡の導入を避ける、すくい面と平行になるように目を向けます。ドライアイス/エタノール浴中で金型を浸漬することにより、フラッシュ凍結。 -80℃で保存をブロックします。
8. クライオスタットを用いて、20μmの矢状切片をカットし、前洗浄スライド上に集めます。
9. 標準的なプロトコル⁴⁹に従ってヘマトキシリンおよびエオシンで染色切片。明視野顕微鏡のために装備光学顕微鏡を用いた画像。

3.組織化学染色

1. 試料調製
   1. オープンドロップ吸入イソフルラン過剰摂取（プロピレングリコール中30％）を使用して、P30-35で動物を安楽死させます。停止によって安楽死を評価します呼吸、心拍およびフットパッドをつまんに対する応答の欠如。 IACUCのガイドラインに沿って、頸椎脱臼および臓器摘出により死亡を確認。
   2. 頭蓋底の皮膚を切開する前に、70％エタノールで切開部位の皮膚をきれいに、脳を削除します。 70％エタノールで頭蓋骨とクリーンを露出する肌をバックピール。きれいな楽器を使用して、慎重に頭蓋骨を切断し、脳を露出するように除去します。膜を外し、静かに頭蓋骨の空洞から脳を削除します。 PBSですすいでください。
   3. 新鮮な10月を含む埋め込む金型に10月中の脳と転送コート。矢状面は、できるだけ少ない動きを用いて気泡の導入を避ける、すくい面と平行になるように脳を方向付けます。 -80℃のドライアイス/エタノール浴とストア内の金型を浸漬することにより、フラッシュ凍結。
   4. クライオスタットを用いて、10μmの矢状切片をカットし、前洗浄スライド上に集めます。
2. NADHジアホラーゼ染色
   1. 1Lの脱イオン水に5.72グラムのTris-HClおよび1.66グラムのトリス塩基を溶解することにより、0.05 Mトリス緩衝液、pH 7.6を準備します。 6週間まで4℃で保管してください。
   2. NADH溶液（0.05 Mトリス緩衝液中で2.25 mMのNADH）を準備します。 -20℃で小分けし、店舗。
   3. NBT溶液（0.05 Mトリス緩衝液中の2.5mMのニトロブルーテトラゾリウム）を準備します。ガラス瓶に6週間まで4℃で保管してください。
   4. 染色溶液を作製し、各スライドに1ミリリットルを追加するために、NADH溶液およびNBT液を等量を兼ね備えています。 30分間加湿チャンバー中、37℃でインキュベートします。
   5. 吸引染色液と_の dH ₂ Oで3回洗浄し
   6. 昇順と降順のアセトン濃度で3回ずつ洗浄/のdH ₂ 0（30％、60％、90％、60％、30％）を、室温で2分間。
   7. dH ₂ Oで3回すすぎ、水性媒体とのセクションをマウントします。明るいFのために装備光学顕微鏡を用いた画像ield顕微鏡。ブルー染色は、酵素活性に相当します。
3. コハク酸脱水素酵素組織化学染色
   1. 0.2 Mナトリウム一塩基性リン酸/のdH ₂ Oおよび0.2 Mナトリウム二塩基性リン酸/のdH ₂ Oを準備
   2. 20部のナトリウム二塩基性リン酸3部の一塩基性リン酸を組み合わせることにより、0.2 Mリン酸緩衝液、pH 7.6にします。
   3. 染色溶液（0.1 Mコハク酸ナトリウム、0.2 Mリン酸緩衝液中の1.25 M NBT）を準備し、各スライドに1ミリリットルを追加します。 60分間加湿チャンバー中、37℃でインキュベートします。
   4. 吸引染色液とのdH ₂ Oで3回洗浄
   5. 昇順で3回ずつ洗浄し、アセトンの濃度を下降/のdH ₂ O（30％、60％、90％、60％、30％）を、室温で2分間。
   6. dH ₂ Oで3回すすぎ、水性媒体とのセクションをマウントします。明視野顕微鏡のために装備光学顕微鏡を用いた画像。ブルー染色はアンに対応しますzymatic活動。

結果

このセクションでは、これらの方法を用いて得られる結果の例を説明します。後肢試験では、プル試行回数が行われ、待ち時間は、毎日のための2つの連続した​​試験にわたって合計される落下します。この試験は、減少筋強度を有するマウスを区別するために、遺伝的に異なる群を比較するために使用することができ、図1AのHtrA2の^{tm1jhoh（HTRA2}

ディスカッション

堅牢な治療法は、ヒトの老化に関連した条件を衰弱させるの影響を制限するために必要な、しかし、彼らは多くの条件のためにとらえどころのないままにされています。潜在的な治療標的を識別し、介入のための戦略を開発するには、加齢に伴う疾患の原因や病態を最初に理解しなければなりません。ていないこれらの遺伝子は、以前にヒトでの研究で条件にリンクされている場合でも、興?...

資料

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