帕金森病的秀麗隱桿線蟲模型研究進展

趙亦周，王香明

帕金森病的秀麗隱桿線蟲模型研究進展

趙亦周，王香明

帕金森病是第二大神經(jīng)退行性疾病，病因及發(fā)病機制復雜，可能與年老、環(huán)境因素及遺傳因素等有關，目前尚不能治愈。秀麗隱桿線蟲因其獨特的優(yōu)勢，逐漸成為研究帕金森疾病的重要模式生物。作者對近幾年帕金森病的秀麗隱桿線蟲轉基因模型和化學因素誘導模型進行綜述。

秀麗隱桿線蟲；帕金森病

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)由英國醫(yī)生James Parkinson于1817年首次報道描述，是僅次于阿爾茲海默病的第二大神經(jīng)退行性疾病，以運動障礙為主要表現(xiàn)，55歲以上人口PD患病率為1.4%，65歲以上人群中患病率大約為2%，75歲以上人口中達3.4%[1]。PD的主要臨床表現(xiàn)是靜止性震顫、肌強直、運動遲緩；典型的病理改變是中腦黑質致密部多巴胺(dopamine，DA)能神經(jīng)元進行性變性缺失，殘存神經(jīng)元胞漿內路易小體(Lewy’s body)形成，主要成分為 α-突觸蛋白(α-Synuclein，α-Syn)、泛素等[2]。PD病因及發(fā)病機制復雜，可能與年老、環(huán)境因素及遺傳因素等有關，目前尚不能治愈，主要是對癥治療。

PD疾病病程長、致殘率高，給患者、家庭及社會造成非常沉重的負擔。為了更深入研究探討PD病因、病理、預防與治療方案，尋找并制備合適的動物模型至關重要。秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans，C.elegans)作為理想的模式生物，在PD的研究中發(fā)揮著不可替代的作用。

1 C.elegans

20世紀70年代Brenner[3]首次將C.elegans作為動物模型用于遺傳基礎研究，證明C.elegans是一個非常有價值的模式動物。C.elegans屬于低等無脊椎動物，如今被生物學家們廣泛用來進行基因組、細胞生物、細胞死亡、表觀遺傳以及抗衰老研究。它身體透明，有雌雄同體和雄蟲2種性別特征，成蟲體長1～2mm，以大腸桿菌為食，生命周期為3 d，具有結構簡單、生命周期短暫、繁殖迅速和易于培養(yǎng)的特點。

C.elegans由959個體細胞構成，其神經(jīng)系統(tǒng)只含有302個神經(jīng)元，每一個神經(jīng)元都有其特定的位置，走向都特別清晰明確，是所有動物中細胞譜系和神經(jīng)元連接研究最清楚的一種模式動物，為研究哺乳動物神經(jīng)系統(tǒng)提供了框架。其中共有75個運動神經(jīng)元，包括56個膽堿能神經(jīng)元和19個γ-氨基丁酸神經(jīng)元。它的基因功能與哺乳動物相似，并具有與哺乳動物類似的神經(jīng)遞質，如乙酰膽堿、DA、5-羥色胺、谷氨酸和神經(jīng)肽等。最重要的是，C.elegans雌雄同體有一個相對簡單的DA神經(jīng)系統(tǒng)，包括8個神經(jīng)元；其中4個頭部神經(jīng)元和2個咽前部神經(jīng)元，還有2個位于身體中部的神經(jīng)元；其DA神經(jīng)末梢和突觸囊泡的DA水平與哺乳動物的神經(jīng)細胞相似[4]。它透明的身體為觀察細胞的變化和蟲體中熒光標志蛋白的表達提供了方便[5]，很容易觀察和量化神經(jīng)細胞的死亡[6]，在活體組織中，能夠觀察到某特定神經(jīng)元的缺失或者存在，這是在研究神經(jīng)退行性疾病時非常重要的一點。

同時，C.elegans是第1個完成了基因組測序的多細胞生物[7]，并將數(shù)據(jù)提供給公眾。此外，C.elegans遺傳中心有大量的突變株供研究者使用，并具有豐富的網(wǎng)絡資源與數(shù)據(jù)庫。因此，C.elegans是研究退行性疾病非常好的模式動物。

2 PD的C.elegans模型

2.1 轉基因模型

2.1.1 α-Syn模型 α-Syn是構成路易小體的最主要蛋白，在家族性和特發(fā)性PD的發(fā)病機制中都扮演著非常重要的作用。通過研究，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個與PD相關的基因，比如PARK1、PARK2、PARK5、PARK6、PARK7、PARK8、PARK9、PARK11及PARK13；在C.elegans中發(fā)現(xiàn)了6個同源基因，但不包括編碼α-Syn的PARK1。這個特性允許研究者建立過表達人源α-Syn的野生型或突變型C.elegans模型，研究α-Syn在PD發(fā)病中的作用，而不用考慮內源性α-Syn的影響，簡化了實驗條件。

研究者們通過在C.elegans的不同細胞中過表達α-Syn，從而對PD發(fā)病機制進行研究，并且篩選相關藥物。Lakso等[8]利用不同啟動子(promotor，P)aex-3、acr-2、unc-30及dat-1，建立過表達人源α-Syn的野生型和A53T突變的C.elegans模型，發(fā)現(xiàn)α-Syn過表達可以導致C.elegans運動減少、DA能神經(jīng)元減少、樹突減少及神經(jīng)元傳遞中斷增多；在DA能神經(jīng)元中的過表達可誘導C.elegans產生漸進性、時間依賴性神經(jīng)退行性疾病和運動缺陷。Springer等[9]利用過表達 α-Syn模型發(fā)現(xiàn) C.elegans Parkin同源蛋白PDR-1突變進一步增強α-Syn過表達造成的發(fā)育異常和致死。Kuwahara等[10]報道，A30P和A53T C.elegans模型中α-Syn的過表達導致DA水平下降，DA神經(jīng)元樹突退行性病變，并且喪失對食物的反應。Vartiainen等[11]研究了α-Syn過表達C.elegans模型導致基因的表達改變，發(fā)現(xiàn)7個泛素相關基因以及35個線粒體相關基因高表達，9個組蛋白相關基因低表達。Kuwahara等[12]報道，過表達α-Syn模型可能通過影響內吞通路而導致神經(jīng)退行性病變。Cao等[13]報道α-Syn通過破壞DA的平衡而導致DA神經(jīng)元退行性病變。Shukla等[14]報道環(huán)烯醚萜類化合物10-O-trans-p-coumaroylcatalpol可以降低α-Syn的聚集并且延長 C.elegans的壽命。Fu等[15]報道正丁烯基苯酞保護C.elegans免于DA神經(jīng)退行性病變。Johnson等[16]報道，谷氧還蛋白對C.elegans PD模型有保護作用。Jadiya等[17]通過系統(tǒng)的RNA干擾篩選發(fā)現(xiàn)，組蛋白去甲基化酶、小核糖體亞基、細胞骨架蛋白等對過表達α-Syn造成的神經(jīng)損傷有保護作用。

α-Syn模型能夠很好地模擬PD行為學改變、神經(jīng)元結構、神經(jīng)生化的改變過程，是研究PD發(fā)病機制、基因治療以及藥物干預的良好動物模型。今后C.elegansα-Syn模型將繼續(xù)發(fā)揮其在基因藥物篩選中的巨大作用，為闡釋PD機制貢獻力量。

2.1.2 LRRK2轉基因模型 LRRK2是常染色體顯性遺傳性PD的相關基因，編碼一個由2 527個氨基酸組成的LRRK2蛋白質，含有6個主要功能域。LRRK2突變是常染色體顯性遺傳性PD最常見的、研究最多的致病基因，對該基因的功能特征、分子機制和調節(jié)機制的研究、闡明PD發(fā)病機制以及發(fā)現(xiàn)新的治療靶點具有重要意義。由LRRK2引起的PD最主要的特征是路易小體的出現(xiàn)和黑質紋狀體DA神經(jīng)元的缺失。LRRK2基因最常見的突變是在其第41號外顯子上的G2019S發(fā)生錯義突變(即2 019位甘氨酸突變?yōu)榻z氨酸)[18]。

Saha等[19]利用啟動子(Psnb-1)建立了野生型和LRRK2(G2019S)突變的C.elegans模型，其產生過表達的LRRK2蛋白可導致DA能神經(jīng)元退化伴有DA減少。此外，LRRK2(G2019S)突變型與野生型LRRK2相比，對魚藤酮敏感性更高。Yao等[20]發(fā)現(xiàn)過表達LRRK2(G2019S)導致神經(jīng)退行性病變，DA運動神經(jīng)元介導的運動和行為削弱。Liu等[21]發(fā)現(xiàn)激酶抑制劑GW5074和索拉非尼可防止C.elegans體內LRRK2蛋白介導的神經(jīng)退行性變化，出現(xiàn)陽性表型。因此，可以將抑制LRRK2蛋白活性作為治療PD的切入點。

2.2 化學因素誘導模型 只有10%的PD患者具有基因突變，環(huán)境因素在PD的發(fā)病中具有重要的作用。通過建立化學因素誘導的PD C.elegans模型，研究環(huán)境因素在PD中的作用。主要的化學因素模型有1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP)模型、6-羥基多巴胺(6-hydroxydopamine，6-OHDA)模型、重金屬Mn2+模型、百草枯模型、魚藤酮等模型。

2.2.1 MPTP模型 MPTP是一種能通過血腦屏障及細胞膜的脂溶性有機化合物，進入大腦之后，會被神經(jīng)膠質細胞產生的單胺氧化酶-B代謝成有毒的陽離子即1-甲基-4-苯基吡啶離子(1-methyl-4-phenylpyridinium ion，MPP+)。Braungart等[22]研究發(fā)現(xiàn)暴露于MPP+的野生型C.elegans，活動度減低，并出現(xiàn)死亡，利用治療PD的藥物左線多巴對C.elegans處理后，損傷減輕。同時證實了MPP+的靶細胞就是DA能神經(jīng)細胞。該模型可用于PD治療藥物的藥效評估。

2.2.2 6-OHDA模型 另一種廣泛使用的 C.elegans藥理模型是6-OHDA模型。6-OHDA是神經(jīng)遞質DA的羥基化衍生物，可被DA再攝取轉運體識別，并誘導選擇性DA能神經(jīng)元變性，表現(xiàn)為特征性突起泡狀化、神經(jīng)元細胞胞體膨脹并最終以非凋亡(或至少不是典型細胞凋亡)方式崩解[23]。Nass等[24]研究表明，C.elegans暴露于6-OHDA后，出現(xiàn)時間和劑量依賴性的神經(jīng)元退化。6-OHDA被神經(jīng)元攝取后，導致自由基形成和氧化應激，最后神經(jīng)元死亡。利用這個模型，研究者們[25]確定了一些能夠改變DA神經(jīng)元對6-OHDA敏感性的基因和藥物，確定了一些可以影響6-OHDA毒性的因素，包括DA受體調節(jié)、自噬失活等。6-OHDA還能誘導線粒體崩解。

運用基因過表達及基因敲除技術，可以很好地研究各個基因的作用。C.elegans各種模型的匯總見表1、2[6]。

表1 轉基因模型

表2 化學因素誘導模型

綜上，眾多學者結合C.elegans的結構特點，建立了多種模型，在不斷發(fā)展的新技術基礎上，如轉基因技術、通過化學誘變和RNA干擾進行正向和反向的遺傳基因篩選、高通量小分子篩選系統(tǒng)等，進行PD發(fā)病機制的研究，并行大批量藥物的篩選。尤其是中藥成分復雜，C.elegans是很好的研究模型[26]。

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Study on the Caenorhabditis elegans model of Parkinson’s disease

ZHAO Yizhou，WANG Xiangming
(Institute of Biophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)

Parkinson’s disease is the second largest neurodegenerative disease，with complex etiology and pathogenesis，which is currently thought to be associated with age，environmental and genetic factors.Caenorhabditis elegans has become an importantmodel of Parkinson’s disease because of its unique physiological structure.In this paper，we reviewed the geneticmodel and chemical factors induced model of Parkinson’s disease in recent years.

Caenorhabditis elegans(C.elegans)；Parkinson’s disease(PD)

R742.5

A

2095-3097(2017)04-0248-04

10.3969/j.issn.2095-3097.2017.04.015

2017-06-30 本文編輯：徐海琴)

國家自然科學基金面上項目(31571061)

100101北京，中國科學院生物物理研究所(趙亦周，王香明)