알츠하이머병 연구를 위한 최적의 전사유전자 동물 모델은 무엇인가요?
알츠하이머병(AD)에 관해 이야기할 때, 영화와 드라마에서 그려지는 다양한 감정적인 장면을 떠올릴 수 있습니다. 그러나 현실은 훨씬 더 잔인하며, “사랑을 잊을 것이다. 그리고 너를 잊을 것이다”라는 트렌드 주제를 통해 이를 확인할 수 있습니다.
현재 승인된 알츠하이머병 치료제는 질병 진행 속도를 늦추는 데 효과가 없습니다. 이전 시리즈의 신경질환 연구 관련 기사에서 연구자들이 노화, Aβ 유도, 그리고 유전자 편집(즉, 전사유전자) 기술을 활용해 다양한 동물 모델을 구축하여 병리학적 특징을 시뮬레이션하고 질병의 병인을 이해하고 있다고 언급한 바 있습니다(여기를 클릭하여 복습). 오늘은 유전자 변형 기법에 초점을 맞추어 알츠하이머병의 몇 가지 중요한 전사유전자 동물 모델을 소개하겠습니다:
- 알츠하이머병(AD)의 전사유전자 마우스 모델: APP/PS1, Tg2576 등;
- 알츠하이머병(AD)의 전사유전자 쥐 모델: App NL-G-F;
- 기타 신경질환에 대한 마우스 모델.
알츠하이머병(AD)의 전사유전자 마우스 모델(유전자 편집 마우스 모델)
현재 알츠하이머병(AD)의 유전자 편집 마우스 모델 구축은 주로 인간의 AD 관련 유전자를 마우스 게놈에 전사유전자 방식으로 도입하는 데 중점을 두고 있습니다. 가장 널리 사용되는 마우스 모델은 APP/PS1, Tg2576, 3xTg-AD, 5xFAD[1]입니다.
APP/PS1 모델
APP/PS1 모델은 아밀로이드 단백질 프로모터에 의해 조절되는 인간 APP 및 PSEN1 유전자(두 개의 인간 돌연변이 부위: APP K670_M671delinsNL [스웨덴], PSEN1: deltaE9)를 마우스 게놈에 전사유전자 방식으로 삽입하는 모델입니다. 이 마우스 모델은 뇌 내 Aβ 발현과 아밀로이드 플라크의 점진적인 연령 관련 증가를 보입니다.
약 4개월령 시, 이 모델의 대뇌 피질에서 아밀로이드 플라크를 관찰할 수 있으며, 6개월령 시 히포카ampus에서 아밀로이드 플라크를 관찰할 수 있습니다[2]. 아밀로이드 플라크의 침착은 뇌의 다양한 부위에서 다르게 나타나며, 피질에서의 밀도가 히포카ampus 및 편도체보다 높습니다[3]. 모리스 워터 미로 실험을 통해 6~10개월령 사이에 인지 기능 저하를 감지할 수 있으며, 연령 증가에 따라 악화됩니다[4].
Tg2576 모델
Tg2576 모델은 허먼 프리온 프로모터에 의해 조절되는 인간 APP 유전자(한 개의 인간 돌연변이 부위: APP K670_M671delinsNL [스웨덴])를 마우스 게놈에 전사유전자 방식으로 삽입하는 모델입니다. 이 마우스 모델은 뇌 내 Aβ 발현과 아밀로이드 플라크의 점진적인 연령 관련 증가를 보입니다.
4.5개월령 시, 마우스의 히포카ampus CA1 영역에서 수상돌기 손실을 관찰할 수 있습니다[6]. 일부 연구에서는 6개월령 이전에 학습 능력 저하, 맥락 기반 공포 조건화 및 작업 기억이 손상되었으나, 일반적인 인지 능력은 정상이라고 보고했습니다. 인지 기능 저하는 12개월령부터 점진적으로 나타나며, 11~13개월령 시 뇌에 대량의 Aβ 플라크가 축적됩니다[8].
3xTg-AD 모델
3xTg-AD 모델은 인간 APP, PSEN1, MAPT 유전자(3개의 돌연변이 부위 포함: APP 스웨덴, MAPT P301L, PSEN1 M146V)를 마우스 게놈에 도입하는 모델입니다.
이 모델은 나이에 따라 진행되는 아밀로이드 플라크 침착과 타우 단백질의 비정상적 집합으로 인한 신경섬유종 형성을 보입니다. 6개월령 시, 대뇌 피질에서 세포외 Aβ 침착을 관찰할 수 있으며, 12개월령 시 더욱 광범위하게 퍼지며, 타우 단백질의 비정상적 집합으로 인한 명확한 신경섬유종이 동반됩니다. 학습 및 인지 기능 저하는 3~6개월령 사이에서 관찰될 수 있습니다[9-10].
5xFAD 모델
5xFAD 모델은 인간 APP 및 PSEN1 유전자(5개의 돌연변이 부위 포함: APP K670_M671delinsNL [스웨덴], APP I716V [플로리다], APP V717I [런던], PSEN1 M146L [A>C], PSEN1 L286V)를 마우스 게놈에 도입하는 모델입니다. 이 마우스는 뇌 내 Aβ 발현과 아밀로이드 플라크의 연령 관련 점진적 증가를 보입니다.
이 마우스는 조기 발병의 아밀로이드 플라크 병리학적 특징(2~4개월령)을 보이며, 플라크는 히포카ampus, 피질, 시상 및 척수 등 다양한 뇌 영역에 넓게 분포합니다[11-13]. 6~12개월령 시 학습 및 인지 능력, 작업 기억의 손상이 관찰될 수 있습니다[7].
알츠하이머병(AD)의 전사유전자 쥐 모델
대부분의 마우스 모델에서 Aβ 단백질의 침착을 관찰할 수 있지만, 타우 단백질의 비정상적 인산화로 인한 신경섬유종과 같은 알츠하이머병(AD)의 다른 병리학적 특징은 나타나지 않습니다. 따라서 일부 과학자들은 쥐 모델에 주목하게 되었습니다. 마우스와 비교하여, 쥐의 AD 관련 유전자(예: MAPT)는 다형성 면에서 인간과 더 유사하며, 쥐는 상대적으로 큰 체형을 가지므로 희귀 샘플(예: 척수액)의 수술적 채취가 더 용이합니다.
App NL-G-F Knock-in 쥐 모델
2021년, 清华大学의 유명 신경과학자 루바이 교수팀은 세계 최초로 인간 알츠하이머병을 시뮬레이션하는 종합적인 쥐 모델인 App NL-G-F 모델을 개발했습니다. 이 모델은 뇌 내 APP 단백질 및 그 조각의 시간적·공간적 발현 수준을 변경하지 않고, 인간의 유전적 가족성 돌연변이 3가지(스웨덴, 이베리아, 아르크틱)를 쥐에 보유할 수 있도록 했습니다. 다른 모델과 비교하여, 이 모델은 인간과 유사한 병리학적 특징과 질병 진행을 보이며, 현재까지 인간화된 APP 돌연변이를 쥐 게놈에 도입함으로써 Aβ 응집과 타우 관련 병리학적 표현형을 모두 유도할 수 있는 유일한 설치류 모델입니다.
동형접합 쥐에서는 1개월령 시 Aβ 침착이 감지되며, 연령 증가에 따라 침착이 증가합니다. 암컷 쥐의 병리학적 진행 속도는 수컷보다 빠릅니다. 유전자형 대조군 쥐와 비교하여 App NL-G-F 쥐는 뇌 무게 감소, 히포카ampus 및 피질의 신경세포 손실, 뇌실 확장이 관찰되며, 이는 알츠하이머병 환자와 유사합니다. 또한 이는 처음으로 뇌실 확장이 관찰된 사례입니다. 12개월령 시, 동형접합 Knock-in 쥐의 히포카ampus 신경세포는 유전자형 대조군보다 30% 적었으며, 뇌 무게는 9% 낮았습니다. 이 차이는 50개월령 시 각각 16%와 22%로 증가합니다. 5~7개월령 시 학습 및 인지 능력 저하가 관찰되며, 6개월령 이후 타우 단백질 인산화 수준이 증가하고, 12개월령 이후 타우 단백질 응집이 관찰됩니다.
App NL-G-F 쥐의 병리학적 특징의 시적 분포[14]
신경질환 연구를 위한 추천 마우스 모델
알츠하이머병 외에도 퇴행성 신경질환인 헌팅턴병 및 근위축성 측삭경화증(ALS) 치료제 개발도 도전적입니다. 연구자들의 요구에 부응하여, Cyagen은 신경질환 연구를 위한 일련의 전사유전자 동물 및 유전자 편집 마우스 모델을 개발하여 신경약리학 실험의 검증을 가속화하고 있습니다. 맞춤형 및 공동 개발 모델 모두 제공되며, 유전자 녹아웃(KO), 유전자 편입(KI), 점 돌연변이(PM), 인간화 마우스 모델, 수술적 질병 모델 등이 포함됩니다.
| 신경질환 | 관련 유전자 | 타겟 유형 |
|---|---|---|
| 알츠하이머병 | App/Psen1 | PM |
| App | KI | |
| Trem2 | PM, KO | |
| 파킨슨병 | Snca | PM, 인간화 |
| Lrrk2 | PM | |
| 근위축성 측삭경화증(ALS) | Sod1 | KO, cKO, PM |
| Fus | KO, cKO, 인간화(WT, PM) | |
| Tardbp | 인간화 | |
| 헌팅턴병 | Htt | KI |
| 불안장애 | Rgs2 | KO, cKO |
| 자폐증 | Tbx1 | cKO |
| Shank3 | KO, cKO | |
| Cacna1C | KO, cKO | |
| Cntnap2 | KO, cKO | |
| 우울증 | Slc18A2 | cKO |
| Psmd1 | KO, cKO | |
| Tph2 | KO, cKO | |
| 소뇌성 공격성 질환 | Atxn3 | 인간화 |
| 전두측두엽 치매 | Mapt | 인간화 |
| 척수 근위축성 질환 | Smn1 | 인간화 |
| Smn2 | KI |
참고문헌:
[1]Kosel F , Pelley J , Franklin T B . Behavioural and psychological symptoms of dementia in mouse models of Alzheimer's disease-related pathology[J]. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 2020, 112:634-647.
[2]Minkeviciene R, Ihalainen J, Malm T, Matilainen O, Keksa-Goldsteine V, Goldsteins G, Iivonen H, Leguit N, Glennon J, Koistinaho J, Banerjee P, Tanila H. Age-related decrease in stimulated glutamate release and vesicular glutamate transporters in APP/PS1 transgenic and wild-type mice. J Neurochem. 2008 May;105(3):584-94. PubMed.
[3]Minkeviciene R, Rheims S, Dobszay MB, Zilberter M, Hartikainen J, Fülöp L, Penke B, Zilberter Y, Harkany T, Pitkänen A, Tanila H. Amyloid beta-induced neuronal hyperexcitability triggers progressive epilepsy. J Neurosci. 2009 Mar 18;29(11):3453-62. PubMed.
[4]Minkeviciene R, Ihalainen J, Malm T, Matilainen O, Keksa-Goldsteine V, Goldsteins G, Iivonen H, Leguit N, Glennon J, Koistinaho J, Banerjee P, Tanila H. Age-related decrease in stimulated glutamate release and vesicular glutamate transporters in APP/PS1 transgenic and wild-type mice. J Neurochem. 2008 May;105(3):584-94. PubMed.
[5]https://www.jax.org/strain/005864
[6]Lanz TA, Carter DB, Merchant KM. Dendritic spine loss in the hippocampus of young PDAPP and Tg2576 mice and its prevention by the ApoE2 genotype. Neurobiol Dis. 2003 Aug;13(3):246-53. PubMed.
[7]Spires-Jones T , Knafo S . Spines, Plasticity, and Cognition in Alzheimer's Model Mice[J]. Neural Plasticity,2012,(2011-11-28), 2011, 2012(2090-5904):319836.
[8]Irizarry MC, McNamara M, Fedorchak K, Hsiao K, Hyman BT. APPSw transgenic mice develop age-related A beta deposits and neuropil abnormalities, but no neuronal loss in CA1. J Neuropathol Exp Neurol. 1997 Sep;56(9):965-73. PubMed.
[9]Billings LM, Oddo S, Green KN, McGaugh JL, LaFerla FM. Intraneuronal Abeta causes the onset of early Alzheimer's disease-related cognitive deficits in transgenic mice. Neuron. 2005 Mar 3;45(5):675-88. PubMed.
[10]Billings LM, Oddo S, Green KN, McGaugh JL, LaFerla FM. Intraneuronal Abeta causes the onset of early Alzheimer's disease-related cognitive deficits in transgenic mice. Neuron. 2005 Mar 3;45(5):675-88. PubMed.
[11]Richard BC, Kurdakova A, Baches S, Bayer TA, Weggen S, Wirths O. Gene Dosage Dependent Aggravation of the Neurological Phenotype in the 5XFAD Mouse Model of Alzheimer's Disease. J Alzheimers Dis. 2015;45(4):1223-36. PubMed.
[12]Jawhar S, Trawicka A, Jenneckens C, Bayer TA, Wirths O. Motor deficits, neuron loss, and reduced anxiety coinciding with axonal degeneration and intraneuronal Aβ aggregation in the 5XFAD mouse model of Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 2012 Jan;33(1):196.e29-40. PubMed.
[13]Giannoni P, Arango-Lievano M, Neves ID, Rousset MC, Baranger K, Rivera S, Jeanneteau F, Claeysen S, Marchi N. Cerebrovascular pathology during the progression of experimental Alzheimer's disease. Neurobiol Dis. 2016 Apr;88:107-17. Epub 2016 Jan 8 PubMed.
[14]Pang K, Jiang R, Zhang W, Yang Z, Li LL, Shimozawa M, Tambaro S, Mayer J, Zhang B, Li M, Wang J, Liu H, Yang A, Chen X, Liu J, Winblad B, Han H, Jiang T, Wang W, Nilsson P, Guo W, Lu B. An App knock-in rat model for Alzheimer's disease exhibiting Aβ and tau pathologies, neuronal death and cognitive impairments. Cell Res. 2022 Feb;32(2):157-175. Epub 2021 Nov 17 PubMed.
