Apoe 녹아웃 쥐에 대한 종합 소개
APOE 유전자가 하는 일은 무엇입니까?
APOE는 아폴리포단백질 E(ApoE)를 코딩하며, 지질 입자와 관련된 단백질로, 콜레스테롤을 운반하는 역할을 합니다. 특정 간세포 및 주변세포 수용체와의 결합은 트리글리세리드가 풍부한 리포단백질 성분의 정상적인 분해에 필수적입니다. ApoE는 매우 낮은 밀도 리포단백질(VLDL)과 고밀도 리포단백질(HDL)의 구성 성분이며, 콜레스테롤 운반에 관여합니다. 인간의 지질 프로파일과는 달리, 마우스는 HDL 수치가 높고 저밀도 리포단백질(LDL) 수치가 낮으며, 콜레스테롤의 대부분은 HDL 형태로 존재합니다. 이 유전자의 돌연변이는 가족성 리포단백질혈증 또는 제3형 고지혈증(HLP III)을 유발할 수 있습니다. 동맥경화증과 알츠하이머병 또한 APOE 유전자 다형성과 밀접하게 관련되어 있습니다.
APOE 녹아웃(KO) 마우스 표현형
동형접합 Apoe 녹아웃 마우스는 ApoE 단백질을 결핍하며, 마우스는 정상적으로 발달하지만 총 혈장 콜레스테롤 수치가 현저히 증가하고 자발적인 동맥경화 병변이 나타납니다. Apoe 녹아웃 마우스 모델은 ApoE가 지질 대사, 동맥경화증 및 신경 손상에서 수행하는 역할을 연구하거나, 동맥경화 과정을 변화시킬 수 있는 간섭 치료법을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.
그림 1. Apoe 녹아웃 마우스에서 외부 세포 ApoE 부족으로 인해 리포단백질 입자가 증가함 [1]
Apoe 유전자를 제거한 후 콜레스테롤은 주로 매우 낮은 밀도 리포단백질(VLDL)에 분포하게 되며, 세포 표면의 리포단백질 수용체에 결합되지 못하고 분해되지 못하는 많은 양의 콜레스테롤을 운반하게 됩니다. 그 결과 콜레스테롤이 축적되어 동맥경화증이 발생합니다. 연구에 따르면 ApoE-/- 마우스는 정상 식이 조건에서도 자발적으로 고콜레스테롤혈증(300-500 mg/dL)을 유발하며, 심각한 동맥경화 병변을 발전시킵니다. 고지방/고콜레스테롤 식이요법은 동맥경화를 유도하며 혈장 콜레스테롤 수치를 1000 mg/dL 이상으로 증가시키고 동맥경화 과정을 가속화합니다. ApoE-/- 마우스 혈장 내 트리아실글리세롤 수치는 나이와 성별에 관계없이 정상 마우스보다 68% 높습니다. 고밀도 리포단백질은 정상 마우스의 45%에 불과합니다. 이러한 마우스의 병변은 대동맥 뿌리, 대동맥 아치, 무명동맥, 대동맥 분지 및 신장동맥 분기부에 주로 발생합니다. 정상 식이 조건에서 10주 내에 초기 지방세포 병변이 발생하며, 15주 후에는 동맥경화 병변으로 발전하고, 20주 후에는 고도의 섬유화로 진행됩니다. 고지방/고콜레스테롤 식이요법은 이 질환 과정을 가속화하며, 콜레스테롤 결정 형성, 괴사핵 형성 및 석회화를 촉진합니다.
APOE 녹아웃(KO) 마우스 연구 응용
1. 흡연 노출 및 흡연 감소 연구 맥락에서의 심혈관 및 호흡기 질환 연구
동맥경화증은 전신성 염증이 동맥 내피에서 플라크 축적의 기초가 되는 만성 질환입니다. Apoe−/− 마우스의 전신성 프로염증 상태는 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 연구에 적합한 후보 모델이 되며, 이는 폐 염증, 기도 폐쇄 및 폐기종을 특징으로 하며, 흡연과 같은 공통된 위험 인자를 공유하는 심혈관 질환과도 관련이 있습니다.
그림 2. 지질 불균형, 내피 기능 장애 및 전신성 염증은 Apoe-/- 마우스(및 인간)에서 동맥경화증과 폐 염증의 발병을 결정합니다. [3]
2. 심혈관 기능 연구에 미치는 영향
동맥경화 마우스 모델과 마우스의 혈역학 측정 기술을 결합하면 고콜레스테롤혈증과/또는 동맥경화증이 심혈관 기능에 미치는 영향을 연구할 수 있습니다. 또한, 심혈관 기능 장애 모델에서 질소산화물, 반응성 산소종, 노화 및 식이요법 간의 상호작용을 연구하는 데에도 활용할 수 있습니다.
3. 동맥경화 과정에 대한 간섭 치료 및 치료법 연구
영양 간섭 연구: 다양한 식이요법(영양 수준의 차이에 따라 부족 또는 증가)을 사용하면 플라크 형태의 변화 또는 플라크 불안정성을 유도할 수 있습니다.
약물 연구: 알려진 혈중 지질 강하 약물은 Apoe-/- 마우스의 동맥경화 병변 면적에 영향을 미칩니다. 동맥경화증을 염증 질환으로 간주하는 관심이 증가함에 따라 Apoe-/- 마우스 모델은 표적 항염증 약물 연구에도 활용되고 있습니다.
Apoe 녹아웃 마우스를 통해 ApoE가 지질 대사, 신경계, 면역계 등에서 수행하는 메커니즘을 연구할 수 있습니다. 또한 Apoe 녹아웃 마우스는 다양한 질병 모델 마우스와 교배하여 두 가지 모델 간 신호 경로의 상호작용을 연구하는 데도 활용될 수 있습니다. 따라서 Apoe 유전자 편집 마우스는 질병 병리학 탐구, 관련 타겟 발견 및 잠재적 치료법 신속 평가를 위한 연구자들에게 필수적인 도구로 계속 발전할 것입니다.
참고문헌:
1. Lane-Donovan C, Wong WM, Durakoglugil MS, Wasser CR, Jiang S, Xian X, Herz J. Genetic Restoration of Plasma ApoE Improves Cognition and Partially Restores Synaptic Defects in ApoE-Deficient Mice. J Neurosci. 2016 Sep 28;36(39):10141-50. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1054-16.2016. Epub 2016 Sep 28. PMID: 27683909; PMCID: PMC5039258.
2. Plump AS, Smith JD, Hayek T, Aalto-Setälä K, Walsh A, Verstuyft JG, Rubin EM, Breslow JL. Severe hypercholesterolemia and atherosclerosis in apolipoprotein E-deficient mice created by homologous recombination in ES cells. Cell. 1992 Oct 16;71(2):343-53. doi: 10.1016/0092-8674(92)90362-g. PMID: 1423598.
3. Lo Sasso G, Schlage WK, Boué S, Veljkovic E, Peitsch MC, Hoeng J. The Apoe(-/-) mouse model: a suitable model to study cardiovascular and respiratory diseases in the context of cigarette smoke exposure and harm reduction. J Transl Med. 2016 May 20;14(1):146. doi: 10.1186/s12967-016-0901-1. PMID: 27207171; PMCID: PMC4875735.
4. Vasquez EC, Peotta VA, Gava AL, Pereira TM, Meyrelles SS. Cardiac and vascular phenotypes in the apolipoprotein E-deficient mouse. J Biomed Sci. 2012 Feb 13;19(1):22. doi: 10.1186/1423-0127-19-22. PMID: 22330242; PMCID: PMC3306747.
5. Zhang SH, Reddick RL, Burkey B and Maeda N. Diet-induced atherosclerosis in mice heterozygous and homozygous for apolipoprotein E gene disruption. J Clin Invest 1994; 94: 937-945.
6. Jawień J, Nastałek P and Korbut R. Mouse models of experimental atherosclerosis. J Physiol Pharmacol 2004; 55: 503-517.
