CN111712571B - 基因改变非人模型动物 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非人动物模型,其通过编码硫氧还蛋白的基因改变而获得,作为老化、肾病、心血管疾病、高血压、主动脉夹层、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常等疾病模型是有用的。这些多样的表型是通过编码硫氧还蛋白的基因改变而引起在全身的多脏器中表达的硫氧还蛋白的功能降低所获得的。编码硫氧还蛋白的基因为选自TXN、TRX、TRX1、TRDX、Txn1、Txn、Trx1基因ADF的各基因中的任意基因。

Description

基因改变非人模型动物
技术领域
本发明涉及一种非人模型动物,所述非人模型动物作为与氧化应激密切关联的疾病研究动物、特别是作为老化、肾病、心血管疾病、高血压、主动脉夹层、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常等的模型动物是有用的,特别涉及一种改变了编码硫氧还蛋白的基因的非人模型动物。
背景技术
在生物体中具备抗氧化酶或由抗氧化物质带来的抗氧化力,存在通过控制生物体的氧化还原状态而适应多样的氧化应激并维持内环境稳定的系统(氧化还原控制:redoxregulation)。但是,该控制机制并不能充分处理由生物体的内源性或外源性原因所产生的氧化应激,或者控制机制因某种原因而出现疏漏时,在生物体中表现出各种各样的损害。过度的氧化应激会损伤DNA和蛋白质、脂质等,引起细胞的功能障碍或细胞死亡,因此,据认为是癌或老化等中的重要的原因之一。
硫氧还蛋白在人、大鼠、小鼠中均为由105个氨基酸构成的分子量约12kDa的蛋白质,在其活性部位具有2个半胱氨酸残基。通过其半胱氨酸残基间的二硫醇/二硫醚交换反应而有助于底物的氧化还原反应。具有二硫醇的还原型硫氧还蛋白将底物蛋白的二硫醚键还原,自身成为氧化型。
硫氧还蛋白被作为引起氧化应激原因的紫外线、放射线、氧化剂、病毒感染、缺血再灌注损伤、抗癌剂给药等各种各样的要因所诱导,控制调节各种基因表达的转录因子或细胞内的信号转导分子的活性(J.Annual Review of Immunology.15,351-369(1997)、Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure 30,421-455(2001))。硫氧还蛋白对氧化应激诱导性疾病发挥防御性作用,对各种化学物质或抗癌剂表现出抵抗性,硫氧还蛋白的表达参与长寿命倾向(J Gerontol A Biol SciMed Sci.,66A:1286-1299(2011)、The Journal of Clinical Investigation112(9),1395-1406(2003)、NephrolDial Transplant;22:1547-1557(2007))。作为现有技术,制作了硫氧还蛋白缺损小鼠,但该缺损基因纯合子小鼠在胎儿期已经死亡,杂合子是正常的(非专利文献1)。另外,存在有使具有显性负效应的硫氧还蛋白基因在心脏中表达而成为心肌肥大症模型的转基因动物(非专利文献2)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1:Developmental Biology 178,179-185(1996)
非专利文献2:J Clin Invest.112,1395-1406(2003)
发明内容
发明所要解决的课题
本发明所要解决的问题点在于,由硫氧还蛋白的功能降低而引起的各种疾病的非人动物模型不存在。本发明的课题在于提供一种可以适合用作老化、肾病、心血管疾病、高血压、主动脉夹层、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常等的非人动物模型。
用于解决课题的技术方案
本发明提供一种非人动物模型,该非人动物模型可以适合用作因硫氧还蛋白的功能降低而发病的老化、肾病、心血管疾病、高血压、主动脉夹层、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常等疾病模型。本发明的发明人为了解决上述课题,将在基因组上随机诱发点突变的化学突变原乙基亚硝基脲投予雄性大鼠,并与雌性大鼠交配而制作得到仔大鼠,从仔大鼠组中挑选出显示表型异常的大鼠,确认了基因的异常,结果,首次确认了原因基因为Txn1基因的突变。进一步进行了反复研究,结果成功制作了非人动物模型,该非人动物模型为具有Txn1基因突变的非人动物,即使为纯合子也可出生,可以适合用作老化、肾病、心血管疾病、高血压、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常等的疾病模型,从而完成了本发明。
即,本发明包含以下内容。
1.一种非人模型动物,其改变了编码硫氧还蛋白的基因。
2.如前项1所述的非人模型动物,其特征在于,编码硫氧还蛋白的被改变的基因使用于还原底物蛋白的二硫醚键所消耗的每单位时间的NADPH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)量减少,其减少比例在10%~90%的范围内。
3.如前项1或2所述的非人模型动物,其适于用作选自老化、肾病、心血管疾病、高血压、主动脉夹层、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症和免疫异常中的任意疾病的模型。
4.一种药剂的筛选方法,其特征在于,使用前项1~3中任一项所述的疾病模型。
发明效果
本发明的改变了编码硫氧还蛋白的基因的非人模型动物显示老化、肾病、心血管疾病、高血压、主动脉夹层、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常等疾病,可以作为这些疾病的病态阐明或治疗药物筛选法的模型动物使用。
附图说明
图1是表示对显示表型异常的大鼠的Txn1基因的突变进行序列分析的结果的图。是关于该大鼠确认了Txn1基因的第54位密码子TTC变成CTC,其结果使第54位的氨基酸由苯基丙氨酸(F)取代为亮氨酸(L)的图。(实施例1)
图2是表示Txn1基因改变大鼠的Txn1基因突变位点(第54号的F)附近的氨基酸(第48-66号)与其它动物种的比对分析的图。
图3是表示Txn基因编码的硫氧还蛋白在全身的多脏器(肾脏、心脏、肝脏、脑)中表达的图。(实验例1)
图4是表示重组Txn1精制蛋白的功能分析的图。A:表示对野生型、F54L突变型、C35S突变型的硫氧还蛋白蛋白进行精制的图。B:是表示用于将硫氧还蛋白的底物蛋白的二硫醚键还原而被消耗的NADPH的减少的图。C:是表示用于将硫氧还蛋白蛋白的底物蛋白的二硫醚键还原而被消耗的每单位时间的NADPH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)的消耗量的图。表示与野生型相比,F54L突变型的消耗量降低到26.9%~53.9%,C35S的消耗量降低到2.55%~7.45%。F54L突变型的NADPH消耗量比野生型低,比C35S高。D:表示即使将野生型和F54L突变型的提取蛋白进行混合,也没有活性抑制,F54L突变型不具有显性负效应。(实验例2)
图5是表示肾脏中的硫氧还蛋白的功能分析的图。A:表示野生型、F54L杂合突变型、F54L纯合突变型大鼠的组织提取蛋白的浓度大致相同。B:是表示将硫氧还蛋白的底物蛋白的二硫醚键进行还原而被消耗的NADPH的减少的图。C:是表示硫氧还蛋白的每单位时间的NADPH消耗的图。表示杂合突变型大鼠基因和纯合突变型大鼠的硫氧还蛋白的每单位时间的NADPH消耗低于野生型大鼠。表示与野生型相比,在突变型中可看到每单位时间的NADPH消耗降低到30.6%~32.2%。D:表示即使将野生型和纯合突变型的提取蛋白进行混合也没有活性抑制,F54L突变型不具有显性负效应。(实验例3)
图6是表示野生型和Txn1基因改变大鼠(纯合子和杂合子)的生存曲线和性别差异的图。Txn1基因改变大鼠在雌性中寿命延长。(实验例4)
图7是表示野生型和Txn1基因改变大鼠(纯合子和杂合子)的全身健康状态的图。A:表示雄性的体重变化,在纯合子中3个月以后、在杂合子中11个月以后可看到体重减少。B:表示雌性的体重变化,在纯合子中3个月以后、在杂合子中11个月以后可看到体重减少。C:表示4个月时的外观和肉眼所见的脏器。在纯合子中,可看到显著的消瘦、脊椎变形、脱毛、内脏脂肪的显著减少、胸腺萎缩。D:表示11个月时的外观和肉眼所见的脏器。在杂合子中,可看到显著的消瘦、脊椎变形、脱毛、内脏脂肪的显著减少、胸腺萎缩。(实验例5)
图8是表示基因改变大鼠中的进行性肾功能障碍、高胆固醇血症、贫血的图。A:表示血清白蛋白、B:表示血中尿素氮(Blood Urea Nitrogen;Bun)、C:表示总胆固醇(TotalCholesterol;T-Cho)、D:表示血红蛋白(Hb)、E:表示尿中白蛋白/Cr量(Urinary Albumin/Cr)、F:表示尿潜血、G:表示血糖值(Glucose,Glu)、H:表示白细胞数的月龄推移。(实验例6)
图9是野生型和基因改变大鼠中的肾脏的马森三色(Masson trichrome)染色照片。表示肾脏纤维化的进展(实验例6)
图10是野生型和基因改变大鼠中的肾脏的PAS(Periodic Acid Schiff:过碘酸-希夫)染色照片。表示Txn1基因改变大鼠中的肾小球病变、肾小管病变。(实验例6)
图11表示野生型和基因改变大鼠中的循环器官疾病。是表示血压测定数据和大血管动脉的中膜断裂、纤维不整齐、石灰化、心肌扩张的照片。(实验例7)
图12是野生型和Txn1基因改变大鼠中的肺病理组织照片。(实验例8)
图13是野生型和Txn1基因改变大鼠中的胸腺病理组织照片。(实验例9)
图14是表示野生型和Txn1基因改变大鼠中的卵巢萎缩的病理组织照片。(实验例10)
图15是表示野生型和Txn1基因改变大鼠中的骨/矿物质代谢的图。A:表示钙、B:表示无机磷、C:表示碱性磷酸酶的月龄推移的图。D:是表示出生后4个月的野生型和Txn1基因改变大鼠的计算机断层摄影(Computed Tomography:CT)的图像的图。左图表示整体像,右图表示腹部的剖面像。(实验例11)
图16是表示Txn1基因改变大鼠中的癫痫发作的状态的脑波。(实验例12)
图17是表示Txn1基因改变大鼠中的脑病变的病理照片(实验例13)
图18是表示利用使用了CRISPR/Cas9系统的基因组编辑技术所制成的Txn1基因改变小鼠的照片图和Txn1基因的序列分析结果的图。是对基因改变小鼠F0-#3(纯合子;母亲、约14周龄)和其产仔F1小鼠4只(杂合子;雄性3只、雌性1只;约3周龄),以及对F0-#3小鼠的Txn1基因进行了序列分析的图。确认了Txn1基因的第54位密码子TTC变成CTC,其结果,第54位氨基酸由苯基丙氨酸(F)取代为亮氨酸(L)。(实验例14)
具体实施方式
本发明的非人模型动物是改变编码硫氧还蛋白的基因、以硫氧还蛋白的功能降低为原因而发病的疾病的非人模型动物。作为本发明中的非人模型动物,可列举除人之外的哺乳动物,可列举例如:猴、狨猴、牛、猪、狗、猫、土拨鼠、兔、大鼠、小鼠等。特别是大鼠、小鼠、土拨鼠等啮齿类的使用容易,因此优选,其中优选大鼠。
本发明的非人模型动物为改变编码硫氧还蛋白的基因而成的非人模型动物。硫氧还蛋白在人、大鼠、小鼠中均为由105个氨基酸构成的分子量约12kDa的蛋白质,在其活性部位具有2个半胱氨酸残基。在其半胱氨酸残基间通过二硫醇/二硫醚交换反应而有助于底物的氧化还原反应。具有二硫醇的还原型硫氧还蛋白将底物蛋白的二硫醚键还原,自身成为氧化型。编码硫氧还蛋白的基因是被称为TXN、TRX、TRX1、TRDX、Txn1、Txn、Trx1或ADF的任意基因。例如,源自人的基因被称为TXN、TRX、TRX1或TRDX,源自大鼠的基因被称为Txn1或Txn,源自小鼠的基因被称为Txn1、Txn、Trx1或ADF。作为编码硫氧还蛋白的基因,例如源自大鼠的基因Txn1可列举由GenBank Accession No.NM_053800(序列号1)中所示的碱基序列所规定的基因,Txn1蛋白由序列号2所示的氨基酸序列所规定。
(序列号1)
ATGGTGAAGCTGATCGAGAGCAAGGAAGCTTTTCAGGAGGCCCTGGCCGCTGCGGGAGACAAGCTTGTGGTAGTGGACTTCTCTGCCACGTGGTGTGGACCTTGCAAAATGATCAAGCCCTTCTTTCATTCCCTCTGTGACAAGTATTCCAATGTGGTGTTCCTTGAAGTAGACGTGGATGACTGCCAGGATGTTGCTGCAGACTGTGAAGTCAAATGCATGCCGACCTTCCAGTTCTATAAAAAGGGTCAAAAGGTTGGGGAGTTCTCTGGTGCTAACAAGGAAAAGCTCGAAGCCACTATTACGGAGTTTGCCTAA
(序列号2)
MVKLIESKEAFQEALAAAGDKLVVVDFSATWCGPCKMIKPFFHSLCDKYSNVVFLEVDVDDCQDVAADCEVKCMPTFQFYKKGQKVGEFSGANKEKLEATITEFA
本发明的改变了编码硫氧还蛋白的基因的非人动物模型分别在纯合子模型或杂合子模型中显示出例如老化、肾病、心血管疾病、高血压、主动脉夹层、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常等疾病。以下,将该被改变的基因也简称为“改变型硫氧还蛋白基因”。本发明中的改变型硫氧还蛋白基因使硫氧还蛋白起作用的底物蛋白还原功能降低至10%~90%、优选10%~70%、更优选26.9%~53.9%即可。由于C35S的硫氧还蛋白的消耗量降低至2.55%~7.45%,因此,本发明中的改变型硫氧还蛋白基因的功能降低范围为除C35S的减少范围之外的值。改变型硫氧还蛋白基因可以为可表达第54位氨基酸由F取代为L的硫氧还蛋白的碱基序列。作为这样的碱基序列,除第54位密码子TTC改变成CTC的编码硫氧还蛋白的碱基序列之外,也可以为用于基因密码子简并的、编码与改变型硫氧还蛋白具有相同氨基酸序列的蛋白质的任意碱基序列。
本发明的基因改变非人模型动物只要是能够利用该动物的基因组上的编码硫氧还蛋白的碱基序列(改变型硫氧还蛋白基因)表达改变型硫氧还蛋白的动物即可。这样的动物可通过使改变型硫氧还蛋白基因配置于基因组上来实现。例如,可以通过使用基因工程技术人为地使个体的遗传信息变化而制作。基因改变非人模型动物可列举例如从外部导入特定基因而得到的转基因动物、使特定基因取代的敲入动物。另外,可以在成为模型的动物的染色体上通过基因的导入、缺失、取代进而与效应器的组合而进行的基因组编辑(GenomeEditing)而制作。
转基因非人动物一般而言是指将被称为转基因的外源性基因人为地插入宿主的基因组、其世代相传的非人动物。通常是出于表达与宿主所持有的蛋白质不同的突变型蛋白质的目的等而制作的。转基因非人的制作方法可以采用自身公知的方法、例如微注射法。可以向从供体动物采取的受精卵原核中导入本发明的改变型硫氧还蛋白基因,将该受精卵移植于受体动物的输卵管内并进行自然分娩而产生转基因非人动物。本发明的转基因非人动物可以通过如下方法来制作:对含有未受精卵、受精卵、精子和其始原生殖细胞的前体细胞等,优选在非人动物的产生中的胚产生的阶段(进一步优选在受精卵的卵裂前的单细胞或者卵裂阶段且一般为8细胞期以前),利用磷酸钙法、电脉冲法、脂质体转染法、凝集法、微注射法、粒子抢法、DEAE-葡聚糖法等导入本发明的改变型硫氧还蛋白基因。另外,也可以通过利用该基因导入方法将本发明的改变型硫氧还蛋白基因导入于体细胞、生物体的脏器、组织细胞等中,制作细胞培养、组织培养等,将这些细胞与上述的生殖细胞系前体细胞利用自身公知的细胞配合法进行融合而制作转基因非人动物。
导入有基因的受精卵接着移植于养母的输卵管而成为胎儿,在出生后3-4周龄从身体的一部分(在小鼠或大鼠的情况下,例如为尾部尖端)提取DNA,利用Southern分析或PCR法可以确认导入基因的存在。如果将确认了导入基因存在的个体设为初代,则导入基因被传递至其子代(F1)。进而,通过将该F1个体与野生型动物或其它F1动物交配,可以制作在2倍体染色体的一个(杂合子)或两者(纯合子)中具有导入基因的个体(F2)。
根据其它方式,表达第54位氨基酸从F取代为L的硫氧还蛋白的本发明的非人动物也可以通过将上述本发明的改变型硫氧还蛋白基因导入于ES细胞(embryonic stem cell:胚胎干细胞)而制作。例如,可以通过将上述本发明的改变型硫氧还蛋白基因导入于源自正常大鼠囊胚的HPRT阴性(使次黄嘌呤鸟嘌呤磷酸核糖转移酶基因缺失)ES细胞而制作。利用HAT选择法挑选本发明的改变型硫氧还蛋白基因整合于大鼠内源性基因上的ES细胞。接着,将挑选的ES细胞微注射于从其它正常非人动物中取得的受精卵(囊胚)。将该囊胚移植于作为养母的其它正常非人动物的子宫。这样,从该养母非人动物中诞生嵌合体转基因非人动物。可以通过将该嵌合体转基因非人动物与正常非人动物交配而得到杂合子转基因非人动物。通过将该杂合子转基因非人动物彼此进行交配,可得到纯合子转基因非人动物。这些转基因非人动物可以称为本发明的改变了编码硫氧还蛋白的基因的模型动物。
根据其它方式,表达第54位氨基酸由F取代为L的硫氧还蛋白的敲入非人动物可以通过将上述本发明的改变型硫氧还蛋白基因导入于ES细胞而制作。例如,可以通过将本发明的改变型硫氧还蛋白基因导入于大鼠等正常非人动物的ES细胞而制作。利用使用G418的正选择法和使用单纯疱疹病毒胸苷激酶基因的负选择法挑选在非人动物的内源性基因上取代有发明的改变型硫氧还蛋白基因的ES细胞。接着,将挑选的ES细胞微注射于从其它正常非人动物中取得的受精卵(囊胚)。将该囊胚移植于作为养母的其它正常非人动物的子宫。这样,从该养母非人动物中诞生嵌合体敲入非人动物。可以通过使该嵌合体敲入非人动物与正常非人动物交配而得到杂合子敲入大鼠。通过将该杂合子敲入大鼠彼此进行交配,可得到纯合子敲入非人动物。这些敲入非人动物可以称为本发明的改变了编码硫氧还蛋白的基因的非人模型动物。
进而,在其它方式中,本发明的非人模型动物也可以使用基因组编辑的方法而制作。基因组编辑的方法可以适用自身公知的方法或今后被开发的所有的方法。例如,可以利用CRISPR/Cas系统或Transcription Activator-Like Effector Nucleases(TALEN)、ZincFinger Nuclease(ZFN)等技术,对成为模型的动物进行基因特异性的破坏或目的基因的敲入等,制作本发明的非人模型动物。
实施例
以下,为了加深本发明的理解,通过实施例和实验例具体地说明本发明的内容。
(实施例1)Txn1基因改变大鼠的制作
在本实施例中,对显示表型异常的大鼠进行分析,对基于该分析结果的Txn1基因改变大鼠的制作进行说明。
1)显示表型异常的大鼠的确认
将在基因组上随机地诱发点突变的化学突变原乙基亚硝基脲(N-ethyl-N-nitorosourea;ENU)(40mg/kg)腹腔内投予雄性大鼠F344/NSlc 2次(9、10周龄时),通过与雌性大鼠F344/NSlc进行交配,制作仔大鼠组。从仔大鼠组中挑选显示表型异常的大鼠,检索与表现异常有关的基因。作为基因的分析,通过与野生型的交配而返回并制作杂交组,使用全染色体上的DNA多型标记物进行了与病型的连锁分析。由此缩小了与表型异常有关的关联座位,通过使用了新一代测序仪的基因组序列分析,鉴定出原因基因为Txn1基因的突变。图1表示通过使用了自动毛细管测序器(ABI3100)的序列分析分析了该大鼠的硫氧还蛋白Txn1基因突变的结果。确认了该显示表型异常的大鼠的Txn1基因的第54位密码子TTC变成CTC,其结果第54位氨基酸由F取代为L(F54L)。
将该大鼠的硫氧还蛋白突变位点(第54号F)附近的氨基酸与其它动物种进行了比对分析。作为第54位氨基酸的F是超越动物种而保存的(图2)。该情况暗示了该第54号F在硫氧还蛋白的蛋白质功能中是重要的氨基酸,从F向L的突变在表型异常中担负重要的作用的可能性。
2)Txn1基因改变大鼠的制作
对在上述1)中所确认的Txn1基因的第54位密码子TTC变成了CTC的大鼠,返回到10代以上同系统的野生型(Wild Type:WT)并进行交配,使遗传背景与WT一致,制作了Txn1基因改变大鼠(杂合子:Hetero)。通过将该杂合子的Txn1基因改变大鼠彼此进行交配,得到纯合子的Txn1基因改变大鼠和杂合子的Txn1基因改变大鼠以及野生型大鼠(WT)。以下的实验中,将该同胞的WT作为对照使用。下文中将纯合子的突变大鼠称为“Homo”,将杂合子的突变大鼠称为“Hetero”。另外,野生型大鼠(WT)是指“WT”。在以下的实验例中也同样。
(实验例1)Txn1基因改变大鼠中的Txn1蛋白的表达分析
对实施例1中制作的Txn1基因改变大鼠,确认了Txn1蛋白的表达。从出生后1个月、4个月的WT、Hetero、Homo、以及出生后12个月的WT、Hetero中摘除肾脏、心脏、肝脏、脑的组织之后,在液氮中冻结,保管于超低温冰箱。从各组织中用Lysis Buffer提取蛋白质之后,进行了超声波处理。用冷却离心机除去沉淀物,测定蛋白质浓度之后,进行了使用抗Txn1抗体和作为内参对照的抗GAPDH抗体的蛋白质免疫印迹。得知:与WT相比,Hetero、Homo大鼠的各组织中的Txn1蛋白在表达量方面没有很大的差异。由此认为:突变型Txn1蛋白也没有进行分解而稳定地表达。
(实验例2)使用Txn1基因重组蛋白进行Txn1活性测定
本实验例中,使用实施例1中制作的Homo大鼠和WT大鼠的Txn1基因cDNA制成Txn1重组蛋白,进行了Txn1活性的测定。从WT和Homo大鼠的组织中提取RNA之后,通过RT-PCR制成正常型(WT)和突变型(F54L)的cDNA,插入于具有FLAG-tag的pCMV-Tag2B载体。另外,制成使作为Txn1的活性中心的第35号的半胱氨酸突变成丝氨酸的突变型C35S,导入于pCMV-Tag2B载体。制成的质粒通过全部序列分析而确认了序列。将各载体(WT、F54L、C35S、空载体)导入于人正常培养细胞HEK293并进行基因表达后,使用抗FLAG抗体珠(Sigma;ANTI-FLAG M2 Agarose Affinity Gel、A2220)精制FLAG融合型硫氧还蛋白。将蛋白浓度进行定量,通过使用抗Txn1抗体(Cell Signaling Technology,#2298)、抗FLAG抗体(Sigma,F3165)的蛋白质免疫印迹比较确认各蛋白量之后,使用Thioredoxin Activity Assay Kit(Redoxica,TR-7011K)和微量分光光度计(DeNovix公司,DS-11+)进行了Txn1的活性测定。
图4A中示出使用抗Txn1抗体、抗FLAG抗体的蛋白质免疫印迹的结果。图4B是表示Txn1用于将底物蛋白的二硫醚键还原而消耗的NADPH的减少的图。图4C是表示Txn1蛋白的每单位时间的NADPH的消耗量的图。得知:突变型F54L与正常型WT相比,每单位时间的NADPH的消耗量降低至26.9%~53.9%(350pg时降低53.9%,2400pg时降低至26.9%)。突变型C35S降低至2.55%~7.45%。图4D表示即使将F54L突变型的提取蛋白与正常型WT混合,F54L也没有活性抑制,F54L突变型不具有显性负效应。
(实验例3)Txn1基因改变大鼠中的Txn1活性测定
本实验例中,从实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT大鼠的组织中提取蛋白,进行了Txn1的活性测定。摘除出生后4个月的Homo、Hetero、WT的组织之后,在液氮中冻结,保管于超低温冰箱。使用Lysis Buffer从肾脏组织中提取蛋白并进行了超声波处理之后,用冷却离心机除去沉淀物,将蛋白浓度进行定量。通过使用抗Txn1抗体(CellSignaling Technology,#2298)的蛋白质免疫印迹确认蛋白量之后,使用ThioredoxinActivity Assay Kit(Redoxica,TR-7011K)和微量分光光度计(DeNovix公司,DS-11+)进行了Txn1的活性测定。
图5A表示使用抗Txn1抗体的蛋白质免疫印迹的结果。可知:WT、Hetero、Homo大鼠的组织提取蛋白的浓度大致相同。图5B是表示Txn1用于将底物蛋白的二硫醚键还原而消耗的NADPH的减少的图。图5C是表示使用提取蛋白50μg和100μg测定的Txn1的每单位时间的NADPH的消耗量的图。显示Hetero和Homo大鼠的Txn1的每单位时间NADPH的消耗量低于WT大鼠。可看到与WT相比,Homo的活性降低至30.6%~32.2%(50μg时降低至32.2%,100μg时降低至30.6%)。图5D表示使用WT提取蛋白50μg(WT)、Homo提取蛋白50μg(Homo)以及WT提取蛋白50μg与Homo提取蛋白50μg的混合溶液(WT+Homo)测定Txn1活性的结果。得知:即使将Homo提取蛋白与WT提取蛋白混合,也没有活性抑制,F54L突变型不具有显性负效应。
(实验例4)Txn1基因改变大鼠的寿命
本实验例中,对实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT大鼠确认了寿命。WT的寿命为2~3年,与此相比,可看到Homo在出生后约3-4个月死亡、Hetero从近9个月开始有死亡的倾向,可确认Txn1基因改变大鼠的寿命短,此外,有性别差异,雄性的Txn1基因改变大鼠的寿命比雌性短(图6)。由此认为:该Txn1基因改变大鼠可作为对老化、肾病、心血管疾病、高血压、主动脉夹层、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常的疾病的性别差异研究有用的动物模型利用。
(实验例5)Txn1基因改变大鼠的体重和全身健康状态的变化
本实验例中,对于实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT大鼠,追踪测定0-12个月的月龄的体重,观察健康状态。图7A是表示雄性的体重变化的图表,图7B是表示雌性的体重变化的图表。在纯合子中3个月以后、在杂合子中11个月以后可看到体重减少。图7C表示出生后4个月时的外观和肉眼的脏器所见。在纯合子中可看到显著的消瘦、脊椎变形、脱毛、内脏脂肪的显著减少、胸腺萎缩。图7D中表示出生后11个月时的外观和肉眼的脏器所见。在杂合子中可看到显著的消瘦、脊椎变形、脱毛、内脏脂肪的显著减少、胸腺萎缩。
(实验例6)Txn1基因改变大鼠中的进行性肾功能障碍
本实验例中,对实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT大鼠中的进行性肾功能障碍、高胆固醇血症、贫血的病态进行了确认。追踪0-12个月的月龄而采取血液和尿,进行了生物化学检查。图8的A表示血清白蛋白,B表示血中尿素氮(Blood Urea Nitrogen;Bun),C表示总胆固醇(Total Cholesterol;T-Cho),D表示血红蛋白(Hb),E表示尿中白蛋白量(Urinary Albumin),F表示尿潜血,G表示血糖值(Glucose,Glu),H表示白细胞数的月龄推移。Homo在出生后3个月尿中白蛋白和Bun成为高值,因终末期肾功能不全而在3-4个月死亡,Hetero从近7个月尿中白蛋白和Bun上升,在约1年成为终末期肾功能不全而死亡。
摘除出生后1个月、3个月的WT、Hetero、Homo大鼠以及出生后10-12个月的WT、Hetero大鼠的肾脏,进行了病理组织学的分析。图9是将肾脏的切片进行了马森三色(Masson trichrome)染色的照片。表示肾脏纤维化的进行。图10是将肾脏的切片进行了过碘酸-希夫(Periodic Acid-Schiff,PAS)染色的照片。表示Txn1基因改变大鼠中的肾小球病变、肾小管病变。即,可看到肾小球的硬化、管内和管外细胞增殖、肾小球系膜细胞增多、肾小管萎缩、肾小管扩张、肾小管坏死、间质纤维化。
终末期肾功能不全导致的透析患者世界性地增加,是医疗经济上的很大问题。我国的透析患者数在2011年约为30万人(在全国民450人中为1人),其原因各种各样,但作为终末期肾功能不全的预备军的慢性肾病(CKD)患者数为我国的成人的12.9%,1330万人(在成人的8人中为1人)推定为需要介入治疗的CKD患者。在全世界中的CKD患者数据说为5亿人。就CKD的背景因子而言,多为糖尿病、高血压等生活习惯病,也有社会老龄化的影响,预计今后10年间患者会进一步增加。该Txn1基因改变大鼠由于肾功能降低的进展快,因此在短期间可以判定治疗药的效果,特别是可以评价作为临床上问题的生命预后的延长,从这些方面考虑,本Txn1基因改变大鼠可作为优异的慢性肾病模型大鼠利用。实验诱发性的肾病模型有许多,但本发明为遗传性的慢性肾病模型,与其它肾病模型不同,在预先对动物不实施处置而通过自然发病出现症状方面、与其它肾病模型仅呈现特定的症状相比本慢性肾病模型大鼠呈现许多肾病关联合并症方面具有优越性。通常认为,本发明大鼠、从本发明大鼠中分离的细胞、以及使硫氧还蛋白的每单位时间的NADPH消耗降低至正常的10%~90%的细胞不仅可用于病态的机制阐明研究,而且可用于反映病态的生物标记物的探索、治疗剂的筛选或药剂的效能分析。
(实验例7)Txn1基因改变大鼠中的心脏疾病
本实验例中,对实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT大鼠中的心脏疾病的病态进行了确认。
图11表示WT、Hetero、Homo大鼠中的循环器官疾病。左边的图表为血压测定数据和心率数据。Homo在出生后3个月血压成为高值,Hetero大鼠从7个月左右血压成为高值。中央表示出生后11个月的WT、Hetero和出生后3个月的Homo的大血管的切断面。观察到大血管的中膜的断裂、石灰化和纤维的不整齐。右边表示从出生后9个月的WT和Hetero中摘除的心脏、和心室水平的切面的组织切片。在Hetero或Homo中观察到纤维化、炎症细胞浸润、心肌扩张。
(实验例8)Txn1基因改变大鼠中的慢性阻塞性肺部疾病
本实验例中,对实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT中的慢性阻塞性肺部疾病的病变进行了确认。
图12表示Homo、Hetero和WT的肺的组织切片。与WT相比,在Hetero、Homo中可看到气肿性的变化。即,在Txn1基因改变大鼠中,可看到支气管壁的淋巴细胞浸润、肺胞腔的融合与扩张。
(实验例9)Txn1基因改变大鼠中的胸腺萎缩
本实验例中,对实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT中的胸腺萎缩进行了确认。胸腺为参与T细胞的分化、成熟等免疫系统的一级淋巴器官,由被称为胸小叶的二叶构成。在成熟的胸腺中作为外侧的部分的皮质中存在未成熟的淋巴细胞,内侧的髄质中除淋巴细胞之外,可看到巨噬细胞或树突状细胞这样的抗原提呈细胞等。
图13中表示Homo、Hetero和WT的胸腺的组织切片。在WT中,胸腺整体被染色,与此相比,在出生后3个月的Homo、10-12个月的Hetero中,脂肪化和萎缩进行,显示胸腺组织的仅是少许的一部分。据认为胸腺随着年龄增加而开始脂肪化,进行萎缩,与WT相比,在Homo、Hetero中可看到早期产生萎缩。
(实验例10)Txn1基因改变大鼠中的卵巢萎缩
本实验例中,对实施例1中制作的Homo和野生型WT中的卵巢萎缩进行了确认。与WT相比,在Homo大鼠中观察到卵巢萎缩、成熟卵泡囊的减少(图14)。
(实验例11)Txn1基因改变大鼠中的骨和矿物质代谢的分析
本实验例中,对实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT大鼠追踪0-12个月的月龄而采血,对钙、无机磷、碱性磷酸酶进行了生物化学检查。另外,对Homo、Hetero和WT,在月龄4个月进行了计算机断层摄影(Computed Tomography:CT)。
图15的A表示钙,B表示无机磷,C表示碱性磷酸酶的月龄推移。其结果,在Homo中从3个月左右、在Hetero中从11个月左右观察到无机磷的上升(高磷血症)。在3个月的Homo中观察到碱性磷酸酶的降低。图15D的左侧表示整体像,右侧表示腹部的剖面像。Homo与WT相比,消瘦而肌肉弱,观察到体干和下肢骨骼肌的容量减少。
(实验例12)Txn1基因改变大鼠中的癫痫发作
本实验例中,对实施例1中制作的Homo、Hetero和野生型WT大鼠中的癫痫发作进行了确认。癫痫发作集中在出生后4-5周龄而出现,6周龄以后,癫痫发作缓慢地减少而消失。更详细而言,对年龄依赖性地显示变化的癫痫发作进行了确认。
Txn1基因改变大鼠从4周龄出现奔跑的部分发作和重复跳跃的发作以及全身强直发作。(图16A)表示4-5周龄的Hetero的发作时的影像脑波同时记录。每20秒一瞬间身体就会一跃而起,反复发作,脑波上可看到与癫痫发作一致的快波和低电压化,可看到类似于人的West综合征的一系列形成性癫痫性痉挛的发作。另外,在一瞬间的跳跃发作时出现爆发性多棘波,可看到肌阵挛样发作(图16B)。进而,确认了伴有棘慢波综合的失神样发作(图16C)。
(实验例13)基因改变大鼠中的脑病理分析
从观察到Txn1基因改变大鼠的癫痫发作之前的出生后3周龄开始,对4周龄、5周龄、7周龄的脑病变用HE染色进行了病理检查。在杂合子中,在3周龄至5周龄在脑的下丘脑、丘脑、丘脑下部可看到空泡变性(图17B)。该所见在Homo中也可看到,病变部位进一步扩大。(图17C)中示出下丘脑的空泡变性的放大照片。该变性在出生后7周龄痊愈(图17A和图17B)。
年龄依赖性癫痫为在儿童期可看到的癫痫综合征。具有伴随脑的发育而病型变化的特征,在特定的年龄可看到发病和病型的年龄依赖性变化。在该龄依赖性变化中也包含自然地治愈。年龄依赖性癫痫属于West综合征、Lennox-Gastaut综合征、Doose综合征、儿童失神癫痫、在中央-颞部具有棘波的良性儿童癫痫等。
近年来,通过基因分析鉴定各种各样的年龄依赖性癫痫的原因基因。与其相伴,世界各国的癫痫研究设施尝试了模型动物制作,但在基因改变小鼠、大鼠中反映年龄依赖性癫痫的病态或病变的模型动物是不存在的。认为Txn1基因改变大鼠可作为优异的年龄依赖性癫痫模型大鼠利用。认为本发明大鼠、从本发明大鼠中分离的神经细胞、使硫氧还蛋白的每单位时间的NADPH消耗降低至正常的10%~90%的细胞不仅可用于病态的机制阐明研究,而且还可以用于发病预防法、治疗剂的筛选或药剂的效能分析。
(实验例14)Txn1基因改变小鼠的制作
使用CRISPR/Cas9系统而制成Txn1基因改变小鼠。首先,制成含有小鼠Txn1基因的第54位密码子附近的序列的向导RNA,与具有Cas9蛋白和第54位密码子的突变型序列的1条链DNA片段(含有沉默突变2处)一起导入C57BL/6J小鼠的受精卵。将导入的受精卵136个移植于养母的子宫。出生的仔小鼠F0为9只,但5只死亡。将剩余4只(F0-#1、F0-#2、F0-#3、F0-#4)的尾巴尖端切除,使用得到的DNA,将含有Txn1基因第54位密码子的36个碱基通过PCR扩增并进行了序列分析。将上述的基因改变小鼠F0与C57BL/6J野生型小鼠进行交配,得到产仔小鼠F1。
图18上段为F0-#3小鼠(纯合子的基因改变小鼠;雌)和其产仔F1小鼠4只(杂合子的基因改变小鼠;雄3只、雌1只)的照片图。图18下段为将Txn1基因改变小鼠F0-#3的Txn1基因进行了序列分析的图。Txn1基因的第54位密码子TTC变成CTC,其结果确认,第54位氨基酸由苯基丙氨酸(F)取代为亮氨酸(L)。
如以上详述的那样,本发明的改变了编码硫氧还蛋白的基因的非人模型动物作为与氧化应激密切关联的疾病研究动物,特别是作为老化、肾病、心血管疾病、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症、免疫异常等模型动物是有用的。另外,对健康食品或营养食品的有效性评价也是有用的。
本发明的改变了编码硫氧还蛋白的基因的非人模型动物由于出现上述的多种疾病,因此,对多个脏器疾病关联的病态分析是有用的。例如为心肾关联、心肺关联、肾脑关联等。另外,在评价医药品、健康食品等对并存的多种疾病带来的影响方面是有用的。例如,针对心脏疾病的医药品等给并存的肾脏疾病或肺疾病带来怎样的影响及效果、针对肾脏疾病的医药品等在给并存的心脏疾病或脑疾病带来怎样影响及效果等、对于人的多脏器疾病患者的医药品开发、健康食品开发等方面是有用的。
本发明的改变了编码硫氧还蛋白的基因的非人模型动物可以提供各脏器或胎儿成纤维细胞等初代培养细胞以及其株化细胞或干细胞、源自本发明的非人模型动物的iPS细胞。各种细胞可应用于老化、肾病、心血管疾病、慢性阻塞性肺部疾病、年龄依赖性癫痫、脂质代谢异常、贫血、骨质疏松症等研究或治疗剂的筛选等。
序列表
<110> 大守伊织
大内田守
真下知士
浜松光子学株式会社
<120> 基因改变非人模型动物
<130> FP20-0475-00
<141> 2018-12-06
<150> JP P2017-238612
<151> 2017-12-13
<160> 41
<170> PatentIn version 3.5.1
<210> 1
<211> 318
<212> DNA
<213> Rattus norvegicus
<400> 1
atggtgaagc tgatcgagag caaggaagct tttcaggagg ccctggccgc tgcgggagac 60
aagcttgtgg tagtggactt ctctgccacg tggtgtggac cttgcaaaat gatcaagccc 120
ttctttcatt ccctctgtga caagtattcc aatgtggtgt tccttgaagt agacgtggat 180
gactgccagg atgttgctgc agactgtgaa gtcaaatgca tgccgacctt ccagttctat 240
aaaaagggtc aaaaggttgg ggagttctct ggtgctaaca aggaaaagct cgaagccact 300
attacggagt ttgcctaa 318
<210> 2
<211> 105
<212> PRT
<213> Rattus norvegicus
<400> 2
Met Val Lys Leu Ile Glu Ser Lys Glu Ala Phe Gln Glu Ala Leu Ala
1 5 10 15
Ala Ala Gly Asp Lys Leu Val Val Val Asp Phe Ser Ala Thr Trp Cys
20 25 30
Gly Pro Cys Lys Met Ile Lys Pro Phe Phe His Ser Leu Cys Asp Lys
35 40 45
Tyr Ser Asn Val Val Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln Asp
50 55 60
Val Ala Ala Asp Cys Glu Val Lys Cys Met Pro Thr Phe Gln Phe Tyr
65 70 75 80
Lys Lys Gly Gln Lys Val Gly Glu Phe Ser Gly Ala Asn Lys Glu Lys
85 90 95
Leu Glu Ala Thr Ile Thr Glu Phe Ala
100 105
<210> 3
<211> 19
<212> PRT
<213> Rattus norvegicus
<400> 3
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1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 4
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<212> PRT
<213> Mus musculus
<400> 4
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1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 5
<211> 19
<212> PRT
<213> Nannospalax Galili
<400> 5
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1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 6
<211> 19
<212> PRT
<213> Carlito Syrichta
<400> 6
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1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 7
<211> 19
<212> PRT
<213> Peromyscus maniculatus
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Asp Val Ala
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<212> PRT
<213> Bos mutus
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Asp Val Ala
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<212> PRT
<213> Ovis aries
<400> 9
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<212> PRT
<213> Pteropus alecto
<400> 10
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<212> PRT
<213> Rousettus aegyptiacus
<400> 11
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<212> PRT
<213> Galeopterus Variegatus
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Asp Val Ala
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<212> PRT
<213> Vicugna Pacos
<400> 13
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1 5 10 15
Asp Val Ala
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<211> 19
<212> PRT
<213> Odobenus Rosmarus Divergens
<400> 14
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1 5 10 15
Asp Val Ala
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<211> 19
<212> PRT
<213> Acinonyx jubatus
<400> 15
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1 5 10 15
Asp Val Ala
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<211> 19
<212> PRT
<213> Mustela Putorius Furo
<400> 16
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1 5 10 15
Asp Val Ala
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<211> 19
<212> PRT
<213> Balaenoptera Acutorostrata Sca
<400> 17
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1 5 10 15
Asp Val Ala
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<211> 19
<212> PRT
<213> Sus scrofa
<400> 18
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1 5 10 15
Asp Val Ala
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<211> 19
<212> PRT
<213> Macaca mulatta
<400> 19
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Asp Val Ala
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<212> PRT
<213> Colobus angolensis
<400> 20
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1 5 10 15
Asp Val Ala
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<212> PRT
<213> Ceratotherium simum
<400> 21
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1 5 10 15
Asp Val Ala
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<212> PRT
<213> Callithrix jacchus
<400> 22
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<212> PRT
<213> Propithecus sp.
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<211> 19
<212> PRT
<213> Camelus sp.
<400> 24
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Asp Val Ala
<210> 25
<211> 19
<212> PRT
<213> Manis javanica
<400> 25
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Asp Val Ala
<210> 26
<211> 19
<212> PRT
<213> Ursus sp.
<400> 26
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<211> 19
<212> PRT
<213> Miniopterus Natalensis
<400> 27
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Asp Val Ala
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<212> PRT
<213> Cavia porcellus
<400> 28
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<213> Aotus nancymaae
<400> 29
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Asp Val Ala
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<211> 19
<212> PRT
<213> Tursiops truncatus
<400> 30
Lys Tyr Ser Asn Val Val Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 31
<211> 19
<212> PRT
<213> Ailuropoda melanoleuca
<400> 31
Lys Tyr Ser Asn Val Val Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 32
<211> 19
<212> PRT
<213> Equus caballus
<400> 32
Lys Tyr Ser Asn Val Val Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 33
<211> 19
<212> PRT
<213> Bos taurus
<400> 33
Lys Tyr Ser Asn Val Val Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 34
<211> 19
<212> PRT
<213> Acinetobacter sp.
<400> 34
Lys Tyr Ser Asn Val Ile Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 35
<211> 19
<212> PRT
<213> Homo sapiens
<400> 35
Lys Tyr Ser Asn Val Ile Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 36
<211> 19
<212> PRT
<213> Nomascus Leucogenys
<400> 36
Lys Tyr Ser Asn Val Ile Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 37
<211> 19
<212> PRT
<213> Octodon degus
<400> 37
Lys Tyr Ser Asn Val Leu Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 38
<211> 19
<212> PRT
<213> Ictidomys Tridecemlineatus
<400> 38
Lys Tyr Ser Asn Val Leu Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 39
<211> 19
<212> PRT
<213> Marmota marmota
<400> 39
Lys Tyr Ser Asn Val Leu Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 40
<211> 19
<212> PRT
<213> Chinchilla laniger
<400> 40
Lys Tyr Ser Asn Val Leu Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala
<210> 41
<211> 19
<212> PRT
<213> Eptesicus fuscus
<400> 41
Lys Tyr Ser Asn Val Leu Phe Leu Glu Val Asp Val Asp Asp Cys Gln
1 5 10 15
Asp Val Ala

Claims (1)

1.一种非人模型动物的制造方法,其特征在于:
其改变了编码硫氧还蛋白的基因,使得由序列号2所示的氨基酸中第54位的氨基酸由F取代为L,
所述非人模型动物为大鼠。
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Inhibition of endogenous thioredoxin-1 in the heart of transgenic mice does not confer cardioprotection in ischemic postconditioning;Perez V et al.;《Int J Biochem Cell Biol》;20160925;第315-322页 *
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