文摘
超过65位点多达500个不同的基因编码,牵连了全基因组关联研究(GWAS)授予患上2型糖尿病的风险增加(T2D)。在小鼠模型过去理解的机制,通过它的中心更多的渗透T2D的风险基因,例如,那些负责新生儿或成年糖尿病的年轻人,那些被GWAS的只有少数,特别是TCF7L2和ZnT8 / SLC30A8迄今为止,已经在小鼠模型研究。我们讨论这里的动物模型可用于基因和为未来提供观点,后者更高的吞吐量的方法对有效地挖掘人类遗传学所提供的资料。
1。介绍
估计全球糖尿病患病率在2011年是3.66亿年,这种疾病将影响5.52亿人到2030年(英国糖尿病数据;(1]09/01/13访问)。2型糖尿病(T2D)是一个复杂和多因子的疾病特点是受损的胰岛素分泌和胰岛素抵抗。疾病风险/进展是由遗传和环境因素的结合。它始终证明,生活方式的因素与风险相关联T2D的数量(2- - - - - -8),增加肥胖是疾病的最大可改变的危险因素(9,10]。不活动(3,11),“坏”的饮食(2,6,8,12- - - - - -14)、吸烟和其他恶习8,15,16)和预处理和产后期间的营养环境生活(17)也有助于患糖尿病的风险。
据估计,30 - 70%的T2D风险可能是由于基因(18]。同时pedigree-based连锁分析和候选基因的方法发现高度渗透的遗传缺陷占糖尿病的发展(19- - - - - -24),这是大规模的出现全基因组关联研究(GWAS),导致加速发现risk-variants与T2D [25- - - - - -34]。目前,已确定(60岁以上常见的风险变异30.- - - - - -34),5 - 10%的合并疾病风险(34,35),这意味着更多的存在还未被发现的位点(34,36,37]。的大部分GWAS-identified协会T2D有很高的连锁不平衡与因果变异小尺寸效应;最大的是,对于常见variant-signal确认日期TCF7L2,有每allelle优势比为1.35 (27- - - - - -29日]。
GWAS发现的最常见的变异信号与缺陷有关胰岛功能,表明这是发展的主要动力T2D [34,38]。然而,大多数的GWAS信号映射到基因组的非编码区域,很难建立功能链接到特定的记录。结果,确定这两个(一个)的身份可能记录(s)和(b)行为对疾病风险的机制,需要使用驯良的生物基因的候选基因的表达可以随意操纵细胞特定类型的方式。可用的模型(其中包括等低等生物秀丽隐杆线虫,d .腹等),老鼠可以说代表之间的最佳折衷易于遗传操作和相似的人,在基因组结构和生理学。在这次审查中,我们讨论了使用小鼠模型来研究基因变异的贡献,发现了,TCF7L2和SLC30A8基因T2D的发展通过对胰岛功能的影响。
2。TCF7L2
2.1。背景
基因编码转录7如2 (TCF7L2,以前称为TCF4)是最重要的T2D易感性基因识别到目前为止,与糖尿病密切相关的遗传变异在所有主要的种族(27- - - - - -29日,39- - - - - -59]。信号在这个轨迹是最持续识别跨各种GWAS和海拔最高的相关发展成人T2D的风险。每个副本的风险T -等位基因在rs7903146 T2D的优势比1.4 - -1.5(增加60]。继承的风险等位基因也是一个有用的预测从一个状态转换的可能性的前驱糖尿病T2D (61年,62年]。此外,从一个小数量的研究结果也表明,TCF7L2变化可能发挥重要作用在发病早期T2D的情况下(63年,64年]。
TCF7L2是TCF转录因子家族成员参与控制细胞生长和信号下游wingless-type MMTV集成网站家庭(Wnt)受体(65年]。Wnt通路的激活导致释放β连环蛋白的抑制复杂和细胞核的易位,结合TCF7L2和其他相关TCF因素(66年]。转录的功能复杂的是依赖于上下文;这是它可能作为转录激活或抑制因子(66年]。
近年来,产品的TCF7L2基因与胰腺特异表达有关β细胞功能和T2D25,27,28]。增强Wnt信号已被证明导致胰岛(扩散67年)和胰腺上皮细胞(68年]。而失去β连环蛋白信号已被证明导致胰腺发育不全(69年),稳定的β连环蛋白已被证明导致大胰腺肿瘤的形成(70年]。
个人携带的rs7903146风险等位基因TCF7L2基因显示降低胰岛素分泌(61年,71年,72年],受损的胰岛素处理[71年),并降低敏感性肠促胰岛素glucagon-like肽1 (GLP-1) [72年,73年]相对于控制。TCF7L2消息水平升高T2D患者(72年,74年),而TCF7L2蛋白质含量是抑郁75年]。减少蛋白质含量的差别,对这些GLP-1和抑胃肽(GIP)受体表达和受损的胰腺β细胞的功能(74年,76年,77年]。研究表明,沉默Tcf7l2在克隆老鼠基因表达β细胞系(76年和主要的小岛75年]导致细胞凋亡增加75年)和受损β细胞的功能(19,20.]。基因表达分析后Tcf7l2沉默了许多基因的表达变化在小鼠胰岛细胞(76年),其中一个Glp1r(73年,78年]。TCF7L2可能调解GLP-1-inducedβ细胞增殖通过Wnt信号通路的激活79年]。自从glp - 1在。有牵连β细胞存活、细胞凋亡的发生率增加TCF7L2沉默的小岛(74年,75年)和个人携带的变体TCF7L2(73年)符合降低GLP-1信号(73年,78年]。相应地,GLP-1 insulinotropic效应减弱的Tcf7l2沉默小岛可能是由于,至少在某种程度上,缺乏同源细胞表面受体(74年]。
2.2。老鼠模型TCF7L2
2.2.1。整个身体基因敲除模型
之前与T2D的协会,TCF7L2以前最著名的协会与癌症发展(80年- - - - - -82年]。纯合子的Tcf7l2击倒(Tcf7l2−−/)小鼠出生后不久死亡,缺乏在他们的肠道隐窝干细胞(83年]。新生儿Tcf7l2−−/老鼠已经减少了体重显著降低血糖3 h产后比控制的同胞,而不是过度造成的胰岛素释放的碳水化合物和脂质代谢在新生儿肝脏受损84年]。
杂合子Tcf7l2+ /−小鼠体重下降显示> 20%与野生型的同胞相比,与降低血糖,胰岛素,脂肪酸,甘油三酸酯和胆固醇在成年老鼠84年]。Tcf7l2+ /−老鼠显示增加胰岛素敏感性,改善糖耐量,降低肝葡萄糖输出(84年,85年]。改善葡萄糖耐量也观察到零杂合子小鼠使用锌指核酸酶生成(85年)和插入loxP站点和FRT-flanked新霉素选择磁带在基因内区4和loxP站点在内含子5 (86年),后者的数据研究也指出减少脂肪生成和肝甘油三酯水平和减少周围脂肪沉积在杂合子小鼠暴露于高脂肪饮食后相比,控制同窝出生的。
胰腺癌发展是极不正常Tcf7l2−−/老鼠(83年,84年]。这个观察和建议报告TCF7L2在胰腺中表达的不是87年)导致的建议原则缺陷潜在降低胰岛素的分泌在TC -或TT-bearing个人可能GLP-1生产不足,从肠道L-cells88年]。然而,证据glp - 1在个体水平的差异和共同之处与有风险的TCF7L2等位基因目前没有(89年),和病人的研究表明,主要的缺陷在于胰腺β细胞(71年,72年,75年]。由于这个原因,使小鼠模型Tcf7l2基因表达是有选择地切除在胰岛的要求。
2.2.2。胰腺癌基因敲除模型
我们使用了Pdx1promoter-driven Cre重组酶(PDX1。Cre)删除人应变(90年]效应删除所有细胞转基因小鼠的胰腺血统液氧Tcf7l2外显子1解决问题是否有选择性的删除Tcf7l2在胰腺损害或改善葡萄糖体内平衡和胰岛素分泌77年]。这种方法允许我们探测到的潜在影响Tcf7l2删除在胰腺癌早期发展TCF7L2曾被证明在开发过程中调节细胞增殖:Tcf7l2−−/老鼠表现出缺陷的积累在肠道隐窝干细胞(83年]。这种方法还提供了一个优势的使用通常部署鼠胰岛素2-promoter-driven Cre重组酶(RIP2。Cre)删除人的压力因为后者也会导致删除在中枢神经系统(91年- - - - - -93年]。Pancreas-specificTcf7l2−−/(pTcf7l2)小鼠显示年龄相关性20周葡萄糖耐受不良的时代挑战的腹腔内葡萄糖丸(77年]。葡萄糖耐受不良检测从12周的年龄葡萄糖由口腔的路线时,表明肠促胰岛素的反应受损(77年]。宽容葡萄糖由口服和腹腔内路线而加剧pTcf7l2老鼠暴露在高脂肪饮食,顺便还能减少β细胞群(77年]。后者的观察是一致的观测,舒和他的同事在high-fat-fed老鼠(94年),作者发现的相关性Tcf7l2表达和β从胰腺导管细胞和细胞再生可能反映的无能β细胞增殖或祖细胞的再生功能的缺失Tcf7l2。的表达下降细胞周期蛋白D1基因(77年从胰岛提取20-week-old pTcf7l2老鼠可能造成对细胞增殖的缺乏。
pTcf7l2−−/小岛显示葡萄糖和GLP-1-stimulated胰岛素分泌和降低表达的基因编码GLP-1受体(77年),符合在体外人类和小鼠胰岛和细胞系siRNA-mediated-silencing实验(74年- - - - - -76年]。而PDX1。Cre压力可能会导致在其他(非-删除β)细胞类型95年),我们观察到没有区别血浆胰高血糖素和glp - 1在pTcf7l2老鼠(水平和胰岛素敏感性77年]。我们的初步使用更多的数据β细胞选择性删除人应变(Ins1。Cre;j·费雷尔,索伦,未发表)也表明胰岛素分泌不足和葡萄糖耐量,暗示TCF7L2扮演了一个关键的和细胞自治的作用β隔室。
2.2.3。β细胞基因敲除模型
最近,日本央行和同事产生了β细胞Tcf7l2击倒(β使用它莫西芬诱导RIP2 TCF4KO)鼠标。Cre——呃T2删除人应变(96年对条件mouse-bearing]培育Tcf7l2等位基因的液氧ed外显子10 [84年]。尽管RIP2.Cre-ER的使用T2可能会影响代谢表型的表达吗Cre重组酶在胰岛细胞以及下丘脑神经元95年),目前尚不清楚Tcf7l2下丘脑中表达的影响βTCF4KO老鼠。
βTCF4KO老鼠正常或高脂肪的饮食显示正常糖耐量葡萄糖时引入的腹腔内路线(84年]。没有差别的血浆胰岛素和胰岛素释放从孤立的小岛βTCF4KO老鼠,与控制的同胞,对葡萄糖的挑战[84年]。然而,重要的是,老鼠不是检查超过12周的年龄,和口服葡萄糖公差没有报告在稍后的研究。
2.2.4。转基因模型
在这一节中描述的三个小鼠模型,Tcf7l2基因表达是熔化的要么是既定的83年)或专门在胰岛细胞(77年,84年]。萨维奇和他的同事们采取了不同的方法,他们工程小鼠表达LacZ在人类的控制下包含基因组细菌人工染色体(BACs)间隔包括糖尿病相关的单核苷酸多态性(intronic)TCF7L2(85年]。使用这种技术,他们的存在增强器函数驱动SNPs-containing地区表达式,例如,小肠和胰腺,但不是在成人胰岛(85年]。转基因小鼠Tcf7l2超表达由人类BAC序列表现出葡萄糖耐受不良当放置在高脂肪的饮食85年]。这些数据符合Gaulton和他的同事们提出的(103年]表明的染色质TCF7L2intronic变体是islet-specific“开放”构象,和记者化验证明增强活动增加的危险T -allelle相比C -allelle在β细胞系。
各种鼠标模型之间的差异数据,一部分是因为的参与TCF7L2在葡萄糖稳态在多个组织,在开发过程中在不同的时间。的Tcf7l2基因以不同的方式操纵各种实验模型,这可能改变基因的组织拼接(104年- - - - - -107年]。表达不同的变异可能会导致不同的结果在不同的组织类型104年- - - - - -107年]。葡萄糖稳态分析在不同时间点在动物的寿命和接触不同的时间和不同的饮食脂肪成分都可以导致不同的观察。
3所示。ZnT8 (SLC30A8)
3.1。背景
ZnT8(编码的SLC30A8基因)是锌转运蛋白家族的一员(ZnTs)重要从胞质挤压锌到细胞外空间或胞内细胞器(108年]。特别是,ZnT8的表达很大程度上(但不完全)限制α和β胰岛细胞,成熟的蛋白质所在主要是限制膜的致密核心分泌颗粒(97年,109年,110年]。其功能因此,似乎主要是运输锌2 +从细胞溶质进入颗粒,在β细胞,这是所需胰岛素结晶(111年]。相比之下,锌的作用2 +在胰腺癌胰高糖素存储α细胞颗粒并不完全理解。
从发现的单核苷酸多态性SLC30A8基因导致的风险增加发展中T2D [27,29日),已经完成了大量的工作说明编码蛋白的功能和角色,ZnT8在疾病的发病机理。与大多数GWAS-identified多态性相比,rs13266634SLC30A8基因编码的替换的参数位置325 (R325W)在蛋白质和糖基与~ 20%的风险增加发展中每个等位基因(T2D28]。考虑到高度受限的转运体的表达模式,提出了希望,ZnT8可能提供一个令人兴奋的新药物目标加强糖尿病患者的胰岛素释放。
3.2。小鼠模型研究ZnT8 / SLC30A8函数
大量的小鼠模型生成为了阐明这个分子的功能及其在糖尿病的发病机理中的作用。这些包括全身(97年,99年- - - - - -101年]和细胞特定类型(α或β细胞)[102年]ZnT8基因敲除的动物。系统性ZnT8基因敲除模型到目前为止已经研究了三种不同的团体(97年,99年- - - - - -101年]。这些研究显示异常(尽管年龄和性别依赖)总值胰岛素结晶和存储(97年,99年)(图1(一)),确认在粒状ZnT8锌积累的重要性。尽管如此,显著差异是明显的胰岛素分泌的规定和全身葡萄糖体内平衡。这些差异很可能在遗传背景上的细微差别的结果,性别和年龄的动物。当地环境因素包括饮食和肠道微生物也可能发挥作用(112年]。因此,葡萄糖耐量在早期被发现受损(4 - 6周的年龄)在三种研究但不是在一个老年(> 18周)(97年,99年,One hundred.),这表明随着年龄的表现型的外显率降低。而胰岛素敏感性是一成不变的在所有的研究中,胰岛素分泌缺陷报告的两个研究[97年,One hundred.]。这些变化与改变β细胞群(数字1 (b)和1 (c))这些数据支持的观点ZnT8活动减少可能影响葡萄糖在人体内平衡,包括增加发展中T2D的风险的缺陷。总结了表型差异表1。
(一)
(b)
(c)
值得注意的是,最近的两项研究的庞德等人强调遗传背景的重要性。在第(One hundred.),转基因动物保持在一个混合的背景,而在第二个(101年),小白鼠backcrossed到纯C57BL / 6背景。惊人,而分子生物学胰岛素分泌是一成不变的小岛从ZnT8基因敲除小鼠在纯C57BL / 6背景,从小鼠胰岛混合背景显示,该参数清晰异常。再次,血浆胰岛素在混合背景动物减少,虽然被发现正常小鼠在纯背景。因为这些老鼠生成并保存在同一种动物设施,它似乎是合理的排除环境差异发挥作用。相反,这些数据支持这样的观点:背景是一个零ZnT8等位基因的外显率的关键因素。这是否影响功能的保护β细胞群的不同菌株之间的胰岛素敏感性,改变细胞内锌2 +处理,或有缺陷的汽车/旁分泌锌2 +胰岛细胞间的信号仍有待阐明。
如前所述,ZnT8存在于两者α和β细胞这样的系统性的基因敲除模型反映了影响删除从两个细胞类型(或者其他地方ZnT8表达在低但可检测水平)。代的特异性基因敲除模型因此帮助理解每个细胞类型的贡献对整个表型观察到。Wijesekara等人所描述的动物模型在最近的一篇论文102年]。删除ZnT8选择性β细胞(βZnT8零老鼠;使用RIP2发起人)导致类似影响葡萄糖稳态系统性淘汰赛中由同一组和自己97年),确认运输需要适当的胰岛素处理、结晶和包装。然而,βZnT8零老鼠显示额外所需的关键基因表达异常正常葡萄糖传感β细胞。而潜在的原因更大的外显率尚不清楚,可能改变细胞内自由锌2 +在的水平更明显β由于细胞选择性模型α细胞补充仍然作为一个高效的锌沉2 +释放,因此,更有效地消耗β细胞锌2 +。尽管如此,ZnT8全身淘汰赛和广泛的相似性β-cell-specific小鼠模型表明,前者的表型主要是由于ZnT8删除β而不是α细胞;αcell-selective ZnT8零鼠标显示没有改变葡萄糖耐量。然而,胰高血糖素分泌不以这些动物条件下,后者可能是生理上重要的是低血糖。因此仍可能ZnT8中扮演着重要的角色α细胞,可能等待更详细的检查α在未来cell-selective零老鼠。
因为T2D是一种多基因疾病,还受到环境因素的影响,重要的是要提到新研究ZnT8基因敲除动物被保持在一个高脂肪饮食(HFD) [98年,99年]。在这些研究中,ZnT8零老鼠显示体重的增加以及空腹血糖和胰岛素水平与野生型相比,控制。特别是,在其中的一个研究中,50%的ZnT8基因敲除动物成为人们接触HFD之后,虽然没有控制这样做(99年]。这些研究使用动物进行混合(sv129 / C57BL6)背景。另一方面,最近的进一步研究用动物backcrossed到C57BL6背景(101年)透露,ZnT8零动物防止高脂肪的影响,再次强调修饰基因的重要性可能在决定最终的外显率的影响。尽管很难提供一个简单的合理化对这些差异,值得注意的是sv129老鼠比C57BL6胰岛素敏感动物(113年),后者在高血糖的夹子产生更多的胰岛素。这是有可能的,因此,C57BL6小鼠能更好地容忍扰动在储存和分泌胰岛素ZnT8删除。
这些数据强调老鼠,至少,能够适应新陈代谢ZnT8等位基因在许多情况下的损失。然而,在代谢压力,比如在富含脂肪的饮食的情况下,胰岛素存储和缺陷或分泌的影响更明显至少对老鼠在一个复杂的遗传背景。
同时完全失活ZnT8鼠标一直是有用的了解这种蛋白质的功能,很明显,更多的工作需要做,以阐明糖尿病危害的重要性多态性在活的有机体内。目前,敲入防护(W325)或风险的模型(R325)形式的ZnT8失踪,可能揭示,前提是对运输活动是足够大的影响(97年]。值得注意的是,这种模式将更紧密地模仿人类的情况,帮助我们更好地理解代谢,信号和其他途径改变组织中表达的运输车辆。
4所示。视角
4.1。更好的小鼠模型
关键要记住在评估小鼠模型的有用性是啮齿动物面对相对塑性显示基因缺失。因此,人类基因突变的外显率之间的差异与单基因形式的糖尿病,包括成熟出现糖尿病的年轻(们),人类和老鼠之间,通常观察114年)用鼠标等价物显示更明显干扰血糖或更改后才删除的两个等位基因。这显然反映了使用老鼠的局限性(体重~ 25克,平均寿命~ 3年)与人类被试比较。尽管如此,尽管上述表型小鼠模型因此往往比人类更微妙的,他们仍然有用的模型研究糖尿病、允许打基因删除是不可能的人。例如,不同遗传背景的人群有不同的易感性R235W ZnT8多态性。因此,我们不应该发现令人惊讶的结果,不同的遗传背景和不同的饮食揭示不同表型ZnT8基因敲除模型。
基因敲除小鼠模型的研究是最有用的,如果可能的目标基因是明确定义的,当一个SNP一样在于一个外显子和编码无意义或错义突变(至于SLC30A8)。困难之一研究snp的贡献确定的风险增加T2D许多确定的单核苷酸多态性主要位于intronic地区。这可能是由于技术限制的使用当前的方法确定致病基因,或者disease-inducing变异可能确实位于intronic区域的基因,这可能监管功能,是可能的TCF7L2(85年]。频繁,SNP区域内的序列差守恒的老鼠和人之间,例如,序列生成SNP rs7903146TCF7L2躺在一个重复的元素没有老鼠。一种可能性是“人性化”老鼠进行生理研究[85年),但很难完全复制小鼠模型的人类遗传环境。另外,技术上很难有针对性的介绍在高效精确的位置变化。基因转录等改性技术的出现activator-like效应核酸酶(取得)115年- - - - - -117年)可以大大加快使得整个系统定制的变异动物模型的方法来研究风险变异的贡献被GWAS疾病进展和可能是有用的在该地区的那些实例包含非常类似于人类发现变化。重要的是,这些基因编辑方法可能也便于使用替代物种(如老鼠甚至猪)的生理更像男人。
另一个难题是,致病单核苷酸多态性不是孤立存在的。每个人的遗传景观可能参与个体患某种疾病的风险。例如,T2D是添加剂的风险:风险snp数量越大出现在一个人的基因组,风险越高的发展T2D [37,118年- - - - - -121年]。因此,未来的动物模型可能需要仔细的映射遗传变异出现在模型动物和多个遗传变异模式的介绍这些组合赋予的糖尿病表型遗传变异。
4.2。基因-环境交互作用
个人的风险T2D是个体的基因之间的相互作用的产物宪法和环境居住着个人。虽然遗传因素对疾病风险的贡献相对容易量化,环境暴露的影响是不容易测量在临床设置。然而,一直在努力研究的一些已知的易感性之间的交互位点T2D和环境,这些发现可能是有用的预测模型的发展和调整临床治疗T2D [122年,123年]。例如,对于航空公司的风险等位基因TCF7L2,血糖负荷低的饮食124年,125年)和一个更严格的生活方式修改制度(与适合nonrisk运营商)(61年,62年,126年,127年)降低T2D的风险。有意义的研究为基因-环境交互需要足够大的样本以提高统计能力(128年]和精确的测量环境暴露的方法,例如,使用代谢组学识别和评估代谢特征、变化,和表型的环境,饮食,生活方式,和病理生理状态。这些信息将允许更好的风险预测模型的生成和个性化/分层治疗,GWAS的圣杯。
4.3。癌症和糖尿病(反对机制假说)
从GWAS应该提到另一个观察,因为它可能影响治疗,癌症和T2D之间的联系。T2D和癌症流行病学证据表明,链接(129年]。大量T2D通过GWAS参与细胞周期调控基因(34T2D协会),例如,SNP映射到染色体9 p21附近的肿瘤抑制基因CDKN2A和CDKN2B130年- - - - - -132年)和CDKN2B调节器ANRIL (133年- - - - - -135年]。最近的基因数据表明,常见基因变异影响癌症和糖尿病在相反的方向136年,137年]。
4.4。我们研究哪些基因?
面临的基本挑战那些希望确定哪些基因在特定位点的负责影响疾病风险,并解剖这/这些行为,是问题的规模(目前总计超过500个基因审问,与其他新兴)(35](和麦卡锡M,个人通信)。显然,新的策略需要优先考虑基因,因此开发模型对于那些最有可能涉及:评估一个特定的变体的影响(优势比)以及表达谱(特别是表达式β影响胰岛素分泌细胞的基因),最后,可能在一个特定的基因变异生物的影响基于出版的知识都是这一过程的关键。此外,“实验过滤”通过更高的吞吐量的方法(例如,核β细胞系,包括小说人类行138年)可能是必要的。最后,更多的高通量方法灭活或过表达基因在特定的组织生活的老鼠而不需要工程师后者通过传统的胚胎干细胞recombination-based工程(例如,通过virus-mediated交付)139年),很可能会越来越重要。另一个挑战是了解确定基因如何影响疾病的风险通过不同的组织工作;系统和计算生物学可能非常重要。
确认
这项工作是由威康信托基金会的高级研究员(WT098424AIA),皇家学会沃尔夫森研究价值,MRC项目(先生/ J0003042/1),英国糖尿病协会奖学金资助人拉特。加芙da Silva Xavier a和盖拉特感谢欧洲糖尿病研究基金会(EFSD)项目资助。导致这个出版工作也得到创新药物的支持倡议合营企业根据授权协议。155005 (IMIDIA),是由金融资源的贡献从欧盟第七框架计划(fp7/2007 - 2013)和EFPIA公司的贡献。