文摘
唐氏综合症是一种复杂的疾病,挑战分子和细胞研究了50多年。理解的分子基础形态学、细胞和功能改变造成额外的21号染色体完整的存在将有助于针对特定基因和通路为拯救一些表型。最近,进展的描述大脑改变在唐氏综合症小鼠模型。本文将强调的主要分子和细胞的发现最近描述了这些模型,特别是对他们的唐氏综合症表型的关系。
1。介绍
唐氏综合症(DS)是人类最常见的非整倍性(1/800出生)。DS的特点是,在某种程度上,通过认知障碍,存在一定程度的严重程度在所有受影响的人1),神经病理改变所观察到的类似阿尔茨海默氏症患者的大脑中超过40年(DS) [2- - - - - -4]。特定赤字DS个人影响神经系统的学习、记忆、语言,和运动5- - - - - -8]。这些赤字相关改变体积,灰质密度和改变大脑的不同区域的神经元电路(9- - - - - -13]。DS通常源于人类21号染色体的存在三个完整的副本(称21三体综合症,T21) [14]。由于这种额外的21号染色体的副本的存在(HSA21),预计DS表型与基因剂量效应:有关基因HSA21出现在三个副本,而不是两个,导致50%的过度(或表达水平1.5倍)。转录组和蛋白质组的研究表明,实际上,全球基因剂量效应存在;然而,有趣的是,很多三染色体的基因的表达变化:有些补偿(1)附近,而另一些则underexpressed(小于1)或高过表达(1.5以上)。这些变化可能取决于细胞组件,可能源自基因或蛋白质相互作用通路或蛋白复合物(例如,复杂的子单元)。这些变化已观察到T21和不同器官的小鼠模型的DS和衰老的结果15- - - - - -21]。因此,定义HSA21基因(或鼠直接同源)尤其负责疾病表型是至关重要的:识别分子和细胞变化与过度将帮助决定他们对测试潜在的分子表型的表型和援助救援。
2。DS的小鼠模型
小鼠模型已经被我们理解的关键分子遗传学的DS。几个模型构建:有些额外的复制的染色体片段同源HSA21 (22,23),其他额外的副本从HSA21单个基因或鼠标直接同源(24,25]。尽管最近的模型增加了我们理解的后果添加特定基因的一个副本或一段包含多个基因,广泛地研究模型Ts65Dn [22]和Ts1Cje [23老鼠,携带大型节段预断小鼠染色体16 (MMU16)(图1)。这些模型概括几个DS的表型,包括脑容量下降,重要的学习和记忆障碍,改变突触可塑性以海马长期势差(LTP)。然而,最近调查的确切基因组成这些模型表明,除了重复段MMU16, Ts65Dn,易位到MMU17结果,包含了一个重复的近端基因MMU17和Ts1Cje包含删除7-gene MMU12[张成的空间26- - - - - -28]。最近三染色体的模型(29日- - - - - -31日),构造使用Cre / loxP-mediated染色体工程战略,只有综合的小鼠染色体同源HSA21-MMU16, MMU17, MMU10(图1)从额外的基因畸变消除任何潜在的干扰。Tc1,另一个模型是一个transchromosomic模型传输部分的副本HSA21横跨超过75%的原始染色体(32]。人类基因出现在这条染色体,事实上,用鼠标,表示确认具体的模型可能熊人或老鼠基因,正如前面演示YACs包含人类基因(33,34]。有趣的是,Tc1模型也可以用于评价的影响T21镶嵌性,因为transchromosome似乎只保留在50 - 60%的Tc1成人大脑细胞(35]。事实上,Papavassiliou et al。36),学习的速度T21 +颊粘膜细胞和淋巴细胞的T21镶嵌性,发现病人的智商范围之间的正相关和比例的T21 +细胞在他们的组织。因此,三倍体的存在至少50%的脑细胞可能有强烈的对认知发展的影响。
转基因模型引入特定HSA21基因或小鼠直接同源,与分子和细胞的研究一直在进行,提出了随着三染色体的模型图1和表1和2。表1和2总结主要研究这些模型识别分子和细胞的变化。
3所示。DS转录组
基因表达研究提供了急需的洞察全球表达变化发生在DS。特别是,微阵列已经用来确定细胞的转录组,甚至大脑结构。Ts1Cje和Ts65Dn转录组分析在不同发育时间点(见表1)。基因转录水平的变化被观察到在三份,镜像拷贝数(即。附近的1.5倍)。然而,更具体的表达变化的分析,如小脑Ts65Dn [44),表明三染色体的老鼠可能传授个人的遗传背景差异表达的变化。进一步,inter-individual变化是观察到蛋白质水平(52]。有趣的是,在Tc1 HSA21小鼠基因表达在胚胎(E) 14.5,表明这些基因在小鼠胚胎发育转录(32]。回想一下,这个模型会导致马赛克组成包含与否HSA21成人器官细胞,检测分子的后果在成人转录水平可能更加困难。有趣的是,Tc1小鼠受损的短期记忆,但正常的长期记忆(35];两个特性是影响Ts65Dn老鼠(53]。这些对比在成年小鼠表型表明功能改变的一部分DS强劲的修改结果增殖和/或分化的大脑神经组件的各种结构,工序步骤建立在胚胎发生。值得注意的是,然而,没有几个基因在人类染色体传播Tc1也可能影响成人大脑的功能(图1)。
最近的证据表明,可变剪接可能发挥作用在区分DS中的大脑转录组小鼠模型以及DS。蛋白质参与机械调制和替代外显子拼接的关键突触的成绩单(neuroligins TrkB,疼,Mapt)可以表达,表明不同控制转录组的疾病状态。调制剪接因子(ASF, Srp55、Srp75 Srp30, SC35)被确定在全球蛋白质水平或磷酸化水平取决于大脑区域探索以及衰老的结果。值得注意的是,至少有一个HSA21基因似乎是负责通过剪接因子磷酸化调节异常:Dyrk1A。这导演丝氨酸/colocalizes其中一些剪接因子,进一步,调节生物起源的拼接斑纹室(60- - - - - -62年]。与DS成年人,Dyrk1a超表达出现超表达相关的3 r同种型记录microtubule-associated tau蛋白(Mapt神经原纤维缠结),这是主要的,这意味着一个新的角色Dyrk1a在神经变性61年,63年- - - - - -65年]。
除了蛋白质编码RNA,几个功能的RNA不会导致翻译成蛋白质(非编码RNA)。小分子核糖核酸(microrna)属于非编码rna小类,并已被证明作用于基因转录翻译的规定通过降解或压抑,从而影响蛋白质组的内容。越来越多的证据表明,microrna影响大脑发育和功能(66年]。五个microrna HSA21转录,三是集群(46]。HSA21 microrna (mir - 99 a、let-7c mir - 125 b - 2, mir - 155,和mir - 802)是大脑在DS从胎儿到成人阶段(46,67年,68年]。在Ts65Dn老鼠模型中,只有mir - 155和mir - 802(3张)在大脑中发现了(69年]。作者发现的转录methyl-CpG-binding-protein(Mecp2Rett综合症)基因突变,却降低了。Intracerebroventricular注入Ts65Dn反义RNA对这两个microrna (antagomirs)规范化的表达Mecp2和分子(环腺苷酸反应元件结合蛋白)以及Mecp2-regulated基因Mef2c(增加Ts65Dn) [69年]。其他可能的microrna参与大脑改变的DS和小鼠模型需要进一步调查70年]。
4所示。DS蛋白质组
改变在DS转录组蛋白质组预计将有直接的影响。大脑蛋白质组研究了使用不同的量化方法,但其调节方法大规模更困难。定量免疫组织化学是这些方法的补充,因为它可以揭示细胞可能更受蛋白表达变化的影响。事实上,有必要确定任何波动蛋白表达在细胞水平上的变化引起的或改变细胞表达蛋白的比例(年代)。当前研究针对潜在途径导致增加研究确定在特定的大脑结构蛋白质组变化DS模型。
表2概括重要的蛋白质变化(向上或向下)三染色体的观察和转基因老鼠在年龄和大脑结构的函数。有趣的是,这些数据表明,蛋白质水平即使在相同的老鼠模型可能会增加随着年龄(应用程序和Sod1-which 3册),可能取决于大脑结构(Synaptophysin (Syp)在皮层和海马在;Gaba-b受体2 (Gabbr2)在海马和丘脑)或可能从早期阶段增加成人(Map2 Ntf3),尽管所有发展阶段尚未研究。
5。形态学和细胞大脑结构的变化
的普遍存在认知障碍在DS理解结构和细胞的变化DS大脑许多研究工作的重点。减少小脑体积是唐氏综合症,又一次重复的一个特色Ts65Dn Ts1Cje模型和一定程度上的。有趣的是,体积或细胞密度的变化似乎在不同的大脑区域,表明基因剂量不同影响大脑结构发展(9,10,89年,90年]。同样,侧脑室扩大,另一个大脑形态学的改变,已经观察到在DS和小鼠模型的DS,特别是Ts1Cje Ts2Cje [91年),Ts65Dn, mBACTgDyrk1a(25]。
细胞增殖也改变了DS在小鼠模型,提出改变之间的关系在大脑结构体积和改变细胞数量。在大脑皮层、海马和小脑、区域体积和神经元数量的影响(58,92年- - - - - -96年]。这些缺陷在扩散改变神经元和星形胶质细胞的数量和百分比。最近,扩散障碍在神经细胞前体Ts65Dn显示涉及抑制hedgehog途径(72年]。这一发现延伸的罗珀et al。97年),与刺猬减少小脑颗粒细胞祖(GCP)生产Ts65Dn。音猬因子(嘘)、小脑浦肯野细胞产生的,通常在小脑激活GCP扩散发展,但这种途径缺陷在DS模型。同样,一个缺陷嘘有丝分裂反应存在于这些老鼠的神经嵴祖细胞(98年]。hedgehog途径可以通过过度发生的抑制淀粉样前体蛋白的片段(应用程序3份Ts65Dn),上市(应用胞内域)。通过增加绑定的上市Ptch1(打补丁的,嘘受体)启动子和组蛋白hyperacetylation,Ptch1过表达(72年]。然而,沉默Ptch1恢复神经祖细胞的增殖。事实上,上市已经被证明作为自己的基因(转录监管机构应用程序)以及其他基因(99年]。减少小脑体积也发生在Ts1Cje老鼠(2份应用程序),但在较小程度上比Ts65Dn(3份应用程序),这表明其他3-copy基因导致扩散通过嘘受体缺陷Ptch1(26)或其他分子。
值得注意的是,这些扩散的缺陷可能会令人惊讶的缺乏成神经管细胞瘤和神经母细胞瘤肿瘤中观察到唐氏综合症(One hundred.- - - - - -102年]。在DS模型中,多个基因参与细胞周期的调控,即cell-cycle-dependent激酶p21Cip1(103年),p27Kip1(104年,105年),不同的影响和诱导细胞周期失调。这些蛋白质以及Ptch1嘘的受体(72年),已被证明是重要的球员在成神经管细胞瘤感应106年]。因此,改变神经细胞增殖,而可能导致DS,认知障碍可能防止这些类型的肿瘤。此外,增加Dyrk1a(107年),Pcp4(38,108年,109年)表达与早产有关神经元分化早期胚胎阶段,开车也会防范这些肿瘤的神经元更成熟的状态。
有趣的是,增加剂量的小鼠Dyrk1a导致增加神经元和神经胶质细胞在丘脑VPL-VPN而其他结构,如躯体感觉皮质,虽然体积的增加,不显示任何改变在这些细胞组件的数量(25]。因此,扩散可能在特定区域和不同影响细胞类型在开发期间,大脑已经显示在DS (10,110年]。
成年神经发生发生在大脑中的两个主要网站:外侧ventricule subventricular区和subgranular区海马齿状回的(人类和老鼠)。虽然成年神经发生的生理相关性仍在辩论,它可能有强烈的暗示在新收购的内存。成年神经发生在Ts65Dn海马体受损(111年)和氟西汀治疗可以逆转,5 -羟色胺(5 -)再摄取抑制剂(112年]。最近的实验使用相同的分子拯救海马体在Ts65Dn不仅还涉及其他结构(纹状体,新大脑皮层)和救援的神经营养因子(BDNF的表达75年),对神经元的存活至关重要。事实上,BDNF水平(RNA和蛋白质)描述一个复杂的局势DS,可能导致部分新发现机制在大脑的DS模型:监管当地翻译(113年]。BDNF RNA水平下降在DS和小鼠模型,但在DS(循环的BDNF水平更高42,114年,115年]。Ts1Cje, BDNF释放增加海马突触的发生通过不同的监管机构当地的翻译,提出更精确调控的神经营养因子。此外,提出的新假说Troca-Marin et al。113年涉及脑源性神经营养因子的一个正反馈循环和Akt-mTOR通路建议治疗的新途径。这种类型的监管可能涉及其他分子对大脑功能很重要,已经被证明Dscam(116年)——发生在3份鼠标模式——仍然需要探索。
其他分子和途径导致DS神经病理学都已经被广泛地研究过了。例如,Map2 microtubule-associated蛋白出现在soma和成熟神经元的树突,增加海马和扣带皮层Ts65Dn,独立的年龄71年,87年]。Map2 immunolabeling揭示厚,短,less-tapered Ts65Dn岁成人神经元树突。进一步,在文化、胚胎细胞分化异常神经突分支观察神经元的胎儿T21 [117年]和Tc1 [118年),加上增加二级主树突。异常树突曾被观察到在早期发展在DS皮层;树突树的过度开发的视觉皮层DS患者出生时,尽管树突婴儿期萎缩后(119年,120年),建议暂时不同的机制可能导致异常成熟的神经元在DS。虽然不同3-copy基因可能导致这些改变表型(38,59,121年),改变细胞骨架动力学的机制仍然不明。
另一个神经细胞表型DS excitation-inhibition失衡表现发挥核心作用在大脑故障;减少过度抑制代表了当前目标改善认知功能障碍(122年,123年]。从增加抑制性神经元过度抑制可能导致80年,95年),增加抑制性突触(124年,125年),增加抑制性突触效率(126年),增加gaba ergic输出神经元的刺激(127年),或者减少这些兴奋性组件(128年]。此外,相对于Girk2超表达(Kcnj63张)负责监管GABA-B受体在树突,GABA-B之间的平衡和Ts65Dn马体-抑制已改变41,73年,129年]。在Ts65Dn皮层兴奋性神经元存在于相同的比例控制和Ts65Dn大脑在发展;然而,中间神经元增加Ts65Dn大脑。此外,这些中间神经元兴奋性增加在基础条件95年]。减少数量的副本通过简单地去除Olig1和Olig2少突细胞转录因子需要规范和分化130年),救援Ts65Dn皮层中间神经元的数量(95年]。最后,神经递质释放的附加电路以及神经肽信号受损([54,79年,131年,132年];表2)。
尽管全球Ts65Dn突触组成并不不同于控制减少CaMKIIalpha和磷酸化肽增加,潜在的重要的突触功能,被发现;synaptojanin 1 (Synj1),这是重要的突触囊泡复苏和Ts65Dn一式三份,也增加了(133年]。此外,脊柱脊椎形态和密度不同(134年,135年),但全球synaptophysin水平,突触前囊泡的一个标志,出现了71年]。减少脊椎密度一直在观察Ts65Dn海马和颞叶皮层(135年- - - - - -137年]。此外,在海马突触扩大存在,一个相关的减少脊椎脖子的长度(135年]。之间的相似性在脊柱形态很明显Ts1RhR [58)、Ts1Cje Ts65Dn,但严重程度的增加表现型与基因数量的增加在一式三份(134年,138年]。此外,三倍体在Ts1RhR足以导致筋膜降低脊柱平均密度dentata [138年]。最后,内吞作用可以改变水平的提高Itsn1 [55,139年),Dyrk1A(140年],Synj1 [141年),和交互与其他基因在三份142年]。这些异常可能会导致改变突触可塑性,可视化在海马LTP的水平,可能调节学习过程。
胶质细胞是另一个大脑的结构和功能的重要组成部分,作为支持和监管机构的突触连接;他们也出席了血脑屏障。神经胶质纤维酸性蛋白(GFAP)通常用于识别这些细胞。DS海马和额叶的早期发展中,增加GFAP-positive观察到细胞(143年,144年),加上一个更成熟的形态(144年]。这可能源于一个倾向于神经胶质细胞生产在神经元,如在神经前体细胞的分化(117年,145年- - - - - -148年]。神经胶质细胞的增加已被确定在Ts65Dn海马在产后早期发展(149年]。然而,在成人Ts65Dn大脑,减少GFAP观察记录(47]。此外,功能障碍Ts65Dn星形胶质细胞(40)加上增加β-连环蛋白Ts65Dn大脑微血管的(150年,151年),两个brain-blood-barrier的重要组成部分,表明它的功能可能会改变。
有趣的是,在DS岁大脑,减少胶质细胞数量一直在观察大脑皮层(152年],astroglial细胞的形态学变化随着年龄的发展(153年]。进一步增加岁Ts65Dn frontoparietal皮层和海马区GFAP的老鼠显示神经胶质过多症(83年]。因此,改变神经胶质可能发挥作用的大脑DS小鼠模型的修改功能。值得注意的是,改变的小脑浦肯野轴突Ts65Dn从10个月大的时候,曾被观察到在astrogliosis发表之后85年,86年]。这些结果表明,小脑Ts65Dn不是防止神经元变性,这可能是早期发现神经的具体修改属性。
最后,阿尔茨海默病病理衰老过程相关的识别在DS模型正在接受调查。应用程序被怀疑为一个主要玩家在这个病理和拷贝数的增加应用程序在人类与阿尔茨海默病(154年]。其他基因HSA21可以防止或者增强应用程序的增加的影响(21,64年,65年]。岁Tc1老鼠(18个月)增加τ磷酸化和神经原纤维缠结,功能没有出现在年轻的动物。此外,Dyrk1A水平的相关性被发现,但只有在老年小鼠(65年]。在这个模型中,人类蛋白质等应用,SYN1, ITSN1,和RCAN1可能缺席,建议他们不要在这一过程中发挥作用35]。转基因小鼠的整个的副本应用程序(33]或SYNJ1(54)基因已经建立,但转基因小鼠ITSN1和RCAN1是由不同的促进剂。因此,尽管高架phospho-tau观察转基因TgRCAN1-L(56老鼠,确认与整个基因模型需要进一步了解这些基因的作用在阿尔茨海默病病理。
6。目标基因和通路
由于这些快速的进步在理解特定的大脑改变DS,治疗方法正在研制。第一个目标的治疗试验的具体损失基底大脑胆碱能神经元(BFCN)观察在Ts65Dn后6个月。这具体的损失,由于改变运输神经生长因子(神经生长因子),被注入神经生长因子(救起84年),说明潜在的表型逆转。作为excitation-inhibition失衡已成为一个强大的目标,最近的方法针对潜在通路的根观察过度抑制。费尔南德斯et al。123年),通过使用-受体的抑制剂(pentylenetetrazole PTZ)逆转Ts65Dn的表型,确认GABA,主要抑制中枢神经系统的神经递质。尽管多个方法目前正在测试(见表1),只有两个最近的方法试图确定是一个大型scale-correlations分子之间的变化和行为变化引起的治疗分子,在成人的DS模型。
Braudeau et al。43,155年]分析了转录组的老鼠提交内存处理使用莫里斯水迷宫范式GABA-alpha5受体的抑制剂治疗后,该GABA-alpha5 promnesiant反兴奋剂(alpha5IA)。GABA-alpha5受体(Gabra5)是专门用海马体和表达,因此,其调制直接涉及海马功能。结合早期基因的表达,特定3-copy基因调节显著:6成绩单是调节(Kcnj6,Sod1,Itsn1,盐酸,加里,Ifnar2)和3表达下调(应用程序,Kcnj6,Sod1)Ts65Dn后治疗。此外,一组5 3-copy基因(包括Pcp4,Hmgn1,Cbr1,Gabpa),以及BDNF,显示,基因型之间的相互作用和治疗,暗示这个途径的密切关系。
救援BDNF的表达也可以获得使用绿茶多酚(页面表)42和美金刚胺49)(见表1和2)。BNDF救援水平与救援的学习障碍有关,因此在我们对DS的理解起着至关重要的作用,其潜在的治疗方法。
调节谷氨酸受体,NMDAR HSA21可能由多个基因改变,即通过钙调磷酸酶通路。NMDAR的非竞争性拮抗剂mk - 801年,可能拯救的记忆力,特别是在衰老。运动活动Ts65Dn和TS1Cje评估与不同剂量mk - 801块这个具有高亲和力受体(52]。它在一个剂量导致相同级别的两个菌株的诱导运动。蛋白质分数(核,胞质膜)海马和皮层磷酸化蛋白质分析的水平属于Mapk通路和Tiam1 Itsn1,和Dyrk1a。超表达这些蛋白质在Ts65Dn Ts1Cje。有趣的是,部分减少Dyrk1a观察和修改MAPK的磷酸化蛋白质genotype-specific模式,这表明基因在不同位置上三染色体的片段(52、表2)。有趣的是mk - 801和美金刚胺恢复phospho-mTOR水平Ts1Cje海马树突(113年]。但它仍然是被证明,这种治疗将受益Ts65Dn记忆障碍(111年]。
作为一种非侵入性的方法,“环境浓缩”,感觉运动结合社会刺激,可能会影响行为和分子水平(156年,157年]。标准化的方法(起始年龄、类型的刺激)可能需要比较变化观察和帮助理解为什么Ts65Dn女性利益优先。
最后,分子和细胞分析DS小鼠模型和DS的大脑显示明显关联,虽然在其特定的大脑区域可能不同特性,证实了DS的小鼠模型的效用测试治疗治疗(158年]。在DS小鼠模型的治疗方法正在迅速增加,伴随测试行为救援。然而,很少有人知道这些疗法的分子和细胞的后果;评估这些后果将是未来研究的关键和任何潜在的翻译到诊所。
确认
作者要感谢j . m . Delabar m . c .保梯和j . Braudeau有用的讨论在这个手稿的准备。这项工作是支持的中心国家de la任职和杰罗姆·勒基金会(批准)。