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Nature:中科院神经所仇子龙研究组等建立带人自闭症基因的非人灵长类动物模型

摘要 : 2016年1月26日,国际权威学术刊物自然出版集团旗下《Nature》杂志上在线发表中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所仇子龙研究组与神经所苏州非人灵长类研究平台孙强团队合作完成的研究论文

2016年1月26日,国际权威学术刊物自然出版集团旗下《Nature》杂志上在线发表中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所仇子龙研究组与神经所苏州非人灵长类研究平台孙强团队合作完成的研究论文,题为《MECP2转基因猴的类自闭症行为表征与种系传递》。研究通过构建携带人类自闭症基因MECP2的转基因猴模型及对MECP2转基因猴进行分子遗传学与行为学分析,发现MECP2转基因猴表现出类人类自闭症的刻板行为与社交障碍等行为。博士研究生刘真与助理研究员李霄为论文共同第一作者,仇子龙研究员与苏州非人灵长类研究平台主任孙强为论文共同通讯作者。

自闭症,也称孤独症,是一类多发于青少年的发育性神经精神疾病,患者多会表现出社交障碍、重复性刻板动作和焦虑抑郁等行为及情绪的异常,目前没有有效的药物治疗方法。近年来世界各国均发现自闭症的患病率逐年升高,引起社会各界广泛关注。关于自闭症的基础与临床研究以及自闭症动物模型的研究已成为目前医学与神经科学领域的热点之一。

在与自闭症相关的众多基因中,甲基化CpG岛结合蛋白2(MECP2)基因因其独特性引起了研究者们的广泛关注。已有的研究显示,MECP2基因功能的缺失会导致瑞特综合症,该症发于女童,患者表现出类自闭症的行为特征;而当含有MECP2基因的染色体区段发生拷贝数倍增时,则会导致MECP2倍增综合症,患者表现出严重自闭症症状。之前研究者已构建了MECP2过表达的小鼠,作为研究自闭症的动物模型。但对于自闭症这样复杂的人类神经精神疾病,是否可以在尽可能接近人类的动物中构建疾病模型,以观察研究类人类自闭症的行为特征是该研究领域急需解决的问题。

为了在非人灵长类——食蟹猴中构建携带人类MECP2的转基因猴模型,仇子龙研究组和苏州非人灵长类研究平台孙强团队通过基于慢病毒侵染的转基因方法(图A),得到了在神经系统中特异性过表达人类MECP2的食蟹猴(图B)。通过序列捕捉、深度测序及分析定位,发现外源的人类MECP2基因有效插入了食蟹猴的基因组中(图C),且免疫印迹及免疫组织化学染色的证据显示人类MECP2转基因能够在食蟹猴神经系统中特异性地表达。

为了进一步研究MECP2转基因食蟹猴的行为特征,团队成员对转基因猴进行了体征记录以及多项行为学测试。通过与野生型对照组的对比,发现MECP2转基因食蟹猴展现出体重发育的迟缓以及脂肪酸代谢的异常;在行动路线的追踪中,转基因组相较于对照组,会明显花费更多的时间在重复的行动路线上(图D);在焦虑应激的实验中,转基因组对比对照组也表现出明显的焦虑与警惕。最重要的是:在社交相关的行为学实验中,包括社群中(图E)和配对的社交时间分析,转基因猴的社交时间均显著低于对照组(图F)。而在与学习记忆相关的威斯康星测试中,转基因组虽然没有显示出学习能力的异常,但表现出重复性的刻板行为。这些结果与MECP2倍增综合症患者的临床表型非常相似。

在苏州非人灵长类研究平台孙强团队的努力下,通过精巢异体移植的方法,成功得到了携带人类MECP2基因的第二代转基因猴(图G)。深度测序结果显示外源的MECP2基因插入位点通过种系传递作用从亲代猴遗传至子代猴的基因组中,并显示出孟德尔式遗传分离的现象。对子代转基因食蟹猴进行的配对社交时间分析结果也显示转基因猴相较于对照组社交时间明显下降(图H),说明自闭症作为一种遗传性疾病,在转基因猴模型中得到很好的体现。

此工作成功建立了在神经系统中特异性表达人类自闭症基因MECP2的转基因食蟹猴模型,该模型在行动方式、焦虑响应及社交行为等方面都表现出了类人类自闭症的表型。此研究还通过精巢异体移植的方法得到了携带人类自闭症基因的子代转基因猴,且发现其在社交行为方面表现出与亲代相同的类自闭症表型。此工作建立的MECP2转基因食蟹猴作为MECP2倍增综合症的非人灵长类模型,为更深入地研究自闭症的病理及探索治疗干预方法奠定了坚实的基础。

(A)人类MECP2外源转基因载体。(B)第一代F0转基因食蟹猴(怀中幼猴)。(C)F0代转基因插入位点的全基因组分布。(D)F0转基因食蟹猴运动模式的异常。(E)组群内社交行为分析的实验范式。(F)F0代在社交行为分析中的社交时间统计。(G)第二代F1转基因食蟹猴。(H)F1代在社交行为分析中的社交时间统计结果。

原文链接:

Autism-like behaviours and germline transmission in transgenic monkeys overexpressing MeCP2

原文摘要:

Methyl-CpG binding protein 2 (MeCP2) has crucial roles in transcriptional regulation and microRNA processing. Mutations in the MECP2 gene are found in 90% of patients with Rett syndrome, a severe developmental disorder with autistic phenotypes. Duplications of MECP2-containing genomic segments cause the MECP2 duplication syndrome, which shares core symptoms with autism spectrum disorders. Although Mecp2-null mice recapitulate most developmental and behavioural defects seen in patients with Rett syndrome, it has been difficult to identify autism-like behaviours in the mouse model of MeCP2 overexpression. Here we report that lentivirus-based transgenic cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis) expressing human MeCP2 in the brain exhibit autism-like behaviours and show germline transmission of the transgene. expression of theMECP2 transgene was confirmed by western blotting and immunostaining of brain tissues of transgenic monkeys. Genomic integration sites of the transgenes were characterized by a deep-sequencing-based method. As compared to wild-type monkeys, MECP2 transgenic monkeys exhibited a higher frequency of repetitive circular locomotion and increased stress responses, as measured by the threat-related anxiety and defensive test. The transgenic monkeys showed less interaction with wild-type monkeys within the same group, and also a reduced interaction time when paired with other transgenic monkeys in social interaction tests. The cognitive functions of the transgenic monkeys were largely normal in the Wisconsin general test apparatus, although some showed signs of stereotypic cognitive behaviours. Notably, we succeeded in generating five F1offspring of MECP2 transgenic monkeys by intracytoplasmic sperm injection with sperm from one F0 transgenic monkey, showing germline transmission and Mendelian segregation of severalMECP2 transgenes in the F1 progeny. Moreover, F1 transgenic monkeys also showed reduced social interactions when tested in pairs, as compared to wild-type monkeys of similar age. Together, these results indicate the feasibility and reliability of using genetically engineered non-human primates to study brain disorders.

 

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