Um regime de fenotipagem de camundongos geneticamente modificados usados para estudar genes implicados nas doenças humanas do envelhecimento
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
doenças associadas à idade estão se tornando cada vez mais prevalente na sociedade moderna. Como a ciência médica melhora e expectativa de vida aumenta, a população continua a idade e o peso dessas doenças cresce. Os tratamentos eficazes são necessárias para diminuir o impacto de condições debilitantes, mas permanecem ainda desconhecidos em muitos casos. Somente através da compreensão das causas e patologia das doenças associadas com o envelhecimento pode cientistas começar a identificar potenciais alvos terapêuticos e desenvolver estratégias para a intervenção. condições relacionadas com a idade comuns incluem desordens neurodegenerativas tais como a doença de Parkinson (PD) e degeneração macular relacionada com a idade (AMD). DP é o distúrbio de movimento mais comum causada por neurodegeneração em seres humanos. A maioria dos pacientes com DP apresentam sintomas como tremor de repouso, bradicinesia e rigidez depois de 50 anos de idade. O início precoce também foi observado em aproximadamente 10% dos casos.
AMD é a principal causa de cegueira emos idosos, danificando progressivamente fotorreceptores e o epitélio pigmentar da retina (EPR) no olho. A visão central, mas é prejudicada a visão periférica é geralmente inalteradas. Existem duas formas de DMRI. Na forma "seca", depósitos de proteínas extracelulares conhecidos como forma de drusas entre o EPR e a membrana de Bruch (BM), levando à atrofia geográfica e embaçamento da visão central. Os mais graves "molhado" forma de resultados de neovascularização coróide através BM nas camadas epiteliais pigmentares e fotorreceptoras e pode levar a hamorrhaging abaixo da retina que provoca danos permanentes ao tecido da retina. Genome wide associação estudos identificaram previamente loci que estão associados com o aumento da susceptibilidade a esta doença e identificou duas regiões de interesse: Factor H do complemento (CFH) no cromossoma 1 e a 10q26 local, onde a maculopatia susceptibilidade relacionada com a idade de 2 (ARMS2) e de alta temperatura fator exigência A1 (HtrA1) genes estão localizados 1-5 </sup>. As combinações destes alelos aumentar a probabilidade de DMRI de uma forma dependente da dose e SNPs específicos pode ser preferencialmente associada com quer as formas húmida ou seca da AMD 3-6.
CFH actua como um regulador negativo da via alternativa (AP) do sistema do complemento através da inibição da activação de C3. Um polimorfismo de um único nucleótido (SNP) tem sido associada a um risco aumentado de DMRI, fazendo com que a troca de tirosina 402 no exão 9 com histidina devido a uma substituição T para C 1. Em AMD acredita-se que o AP é desregulada por causa de uma perda de função do CFH mas se o SNP desempenha um papel causal está claro. Uma hipótese é que a histidina carregada positivamente é pensado para anular a capacidade de CFH para se ligar a proteínas que interagem com a proteína C-reactiva e sulfato de heparina 1,7. Estudos in vitro de CFH Y402H fornecer resultados contraditórios sobre diferenças funcionais entre as variantes, e em vivo o trabalho em <em> CFH – / – ratos que expressam humanizado CFH está em curso 8. ARMS2 está localizado a montante do HtrA1 no genoma de primata, embora o gene está ausente em ratinhos. HtrA1 é uma protease da serina, mas ARMS2 é mal caracterizado. O desequilíbrio de ligação entre os SNPs no locus AMD-associada tornou difícil determinar as contribuições para o risco de mutações individuais dos genes nesta região, mas trabalho recente sugeriu que é sobre-expressão de HtrA1 em vez de ARMS2 que conduz a neovascularização e depósitos de proteínas subretinal 9-11. No entanto, a grande proximidade dos genes em esse locus pode permitir interacções que não pode ser estudado utilizando transgenes inseridos aleatoriamente.
Além da DMRI, a família de proteases de serina HtrA tem sido associada a muitas doenças humanas. Todas as proteínas HtrA contêm um domínio de serina-protease seguido por, pelo menos, um domínio C-terminal de ZDP. HtrA1, HtrA3 e HtrA4 compartilhar o grcomes homologia, que consiste de um domínio de péptido de sinal, ligação ao factor de crescimento semelhante à insulina, um inibidor de protease de domínio Kazal, o domínio de protease de serina e um domínio PDZ. HtrA2 tem um terminal N diferente, constituída por uma sequência de localização mitocondrial, domínio transmembranar e domínio de ligação de inibidor de apoptose, seguido pelos domínios de protease e PDZ 12-16. HtrA1 dos mamíferos é regulado por remodelação induzida por substrato no local activo do seu domínio de protease 17-20, e HtrA2 pode também ser modulada pela interacção entre a protease de serina e domínios PDZ que suprime a actividade de protease 21. Curiosamente, o domínio PDZ não aparecer para conferir regulação semelhante ao HtrA3 16. As proteases HtrA também pode ser regulada por factores extrínsecos: foi demonstrado recentemente que existe uma interacção entre o regulador e HtrA1 protoporfirinas 22 e HtrA2 pode ser regulado pela fosforilação após a activação da MAP-cinase p38via de um modo dependente-PINK1 23. A supressão de membros individuais da família HtrA em ratinhos tem sido documentada, no entanto efeitos mecanísticos na maior parte não são claras, em parte devido à falta de fenótipos visíveis.
HtrA1 desempenha uma função importante no controlo de qualidade de proteínas e a sua desregulação ou mutação tem sido associada a muitas doenças humanas diferentes, incluindo artrite, cancro e um aumento do risco da AMD 3,4,24-32. A perda da função HtrA2 em tecidos neurais tem sido associada com fenótipos PD em humanos e ratos, enquanto que a sua perda a partir de tecidos não neurais resultados em envelhecimento acelerado 33-37. Desregulação HtrA3 tem sido associada a doenças, incluindo a pré-eclampsia e de certos tipos de cancro 38,39. -Regulação de HtrA4 tem sido observado nas placentas de pacientes com pré-eclâmpsia, mas camundongos knockout não apresentam um fenótipo ostensiva 40,41. A falta de fenótipos observados em alguns ratinhos knockout tem sidopostulada como sendo um resultado de compensação entre o membro da família HtrA: pensa-se que ambos HtrA4 HtrA1 e interagir com a família de TGF-B de proteínas, que permite a compensação por HtrA1 mediante eliminação de HtrA4 41. Do mesmo modo, pensa-se que uma vez que HtrA1 HtrA3 e têm um elevado grau de homologia de domínios que possam ter funções complementares 42. No entanto, tem sido sugerido que as proteínas HtrA podem ter papéis parcialmente antagonistas, competindo para regular alvos comuns 43.
Para investigar mais estes fatores de risco três linhas de rato knock-in humanizados foram gerados. Em CFH TM1 (CFH * 9) jhoh e CFH tm2 (CFH * 9) jhoh, exon 9 do gene CFH é substituído por exon 9 do homólogo humano. CFH TM1 (CFH * 9) jhoh codifica a não-doença associada tirosina resíduo na posição 402, enquanto CFH tm2 (CFH * 9) jhoh carrega o Y402H, SNP associado ao risco. DentroARMS2 tm1jhoh a sequência ARMS2 humano foi alvejado a uma região a montante do HtrA1. Uma sequência de paragem flanqueado-loxP colocado a montante da sequência do gene, mas a jusante do promotor UbiC incluídos foi excisado por cruzamento de ratinhos OzCre, que expressam a recombinase Cre sob o controle do promotor Rosa26, como previamente descrito 34. Além desses knock-in linhas, foram gerados alelos knockout condicional para CFH e HtrA1 (CFH tm1jhoh e tm1jhoh HtrA1), bem como os outros membros conhecidos da família HtrA: HtrA2 (HtrA2 tm1jhoh), HtrA3 (tm1jhoh HtrA3) e HtrA4 ( tm1jhoh HtrA4). Os nocautes germinativas foram criados pelo cruzamento de ratos OzCre aos animais projetados para flanquear exons específicos com locais loxP, de tal forma que a exclusão provoca uma mudança de quadro e / ou deleção do domínio activo (CFH; exão 3, HtrA1; exons 2-3, HtrA2: exões 2-4, HtrA3; exão 3, HtrA4; exons 4-6) 34,41. Uma deleção neural de HtrA2, eliminados utilizando recombinase Cre sob o controle do promotor de nestina (HtrA2 Flox; Tg (Nes-CRE) 1Kln / J), também foi descrito 34. Apenas os ratos que faltam HtrA2, sistemicamente ou em tecidos neurais, exibido fenótipos claros, apresentando fenótipos parkinsonianos.
Uma vez que alguns destes genes de interesse são postulou a ser localizada para a mitocôndria 11,44-47, e supressão de HtrA2 gerado fenótipos parkinsonianos, um regime de fenotipagem com foco mitocondrial e neurológico é descrito aqui e resultados representativos dos testes de interesse são fornecidos . A fim de examinar ratos geneticamente modificados produzidos para investigar humano, doença relacionada com a idade completa e sistematicamente a uma programação de fenotipagem inicial foi estabelecido, que consiste de uma série de testes relacionados com os dois principaisdoenças de interesse: AMD e Parkinson.
Protocol
Representative Results
Discussion
tratamentos robustos são necessários para limitar o impacto das condições debilitantes relacionadas com o envelhecimento humano, mas eles são ainda imperceptíveis para muitas condições. Para identificar potenciais alvos terapêuticos e desenvolver estratégias de intervenção, as causas e patologia das doenças associadas com o envelhecimento deve primeiro ser compreendido. Nem todos os camundongos geneticamente modificados imediatamente apresentam fenótipos claros que estão relacionados com a doença de inte…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financiamento para esta investigação veio Fundação Médica Rosebay e Fundo de Investigação do Dean Yale Medical School (JH). Agradecemos ao Dr. Claire Koenig para obter ajuda com experimentos comportamentais. Genetically Engineered mouse linhas foram geradas pelo Ozgene (Perth, Austrália).
Materials
| 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 | |
| 9oz 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 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 |
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