常見精神疾病的大、小鼠遺傳模型研究進(jìn)展

羅卓慧龐 碩張連峰

(1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所,北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心,國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)人類疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100021;2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)中心,北京 100730)

精神疾病是指在各種生物學(xué)、心理學(xué)以及社會(huì)環(huán)境因素影響下,由大腦功能失調(diào)導(dǎo)致認(rèn)知、情感、意志和行為等精神活動(dòng)出現(xiàn)不同程度障礙為臨床表現(xiàn)的疾病[1],包括抑郁癥、雙相情感障礙、精神分裂癥、其它精神病、癡呆癥、智力殘疾和自閉癥在內(nèi)的發(fā)育障礙[2]。我國(guó)的各種精神疾病中,焦慮癥(7.6%)和情緒障礙(7.4%)發(fā)病率最高[3]。

目前有超過(guò)50%的神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)使用嚙齒類動(dòng)物模型,作為嚙齒類動(dòng)物的代表,大鼠易于構(gòu)建模型并且不易受外界環(huán)境的干擾,小鼠的基因修飾模型資源豐富,在遺傳學(xué)等方面具有使用優(yōu)勢(shì)[4]。隨著大鼠基因編輯的開展,大鼠基因修飾模型資源日漸豐富,或?qū)⒊蔀檠芯壳楦行袨楹途耦惣膊〉氖滓Ｐ蚚5]。常見的大鼠和小鼠精神疾病模型主要包括誘導(dǎo)模型和遺傳模型兩類,誘導(dǎo)模型與自然產(chǎn)生的疾病相比存在差異,誘導(dǎo)難度高;而遺傳模型有助于了解基因相關(guān)的病理生理學(xué)信息[6]。現(xiàn)總結(jié)常見精神疾病的大、小鼠遺傳模型及適用的行為學(xué)評(píng)估方法,見表1。

表1 常見精神疾病的大、小鼠遺傳模型及行為學(xué)評(píng)估方法Table 1 Rat and mice models of common mental disorders

1 抑郁模型

常見的抑郁癥遺傳模型包括4種選擇性繁育大鼠和1種基因突變小鼠。常見的抑郁癥行為學(xué)評(píng)估方法分為兩類,以行為絕望為代表的評(píng)估方法包括FST、TST和LH以及以快感缺乏為代表的評(píng)估方法SPT[6]。FSL大鼠、FH大鼠和WKY大鼠適合評(píng)估行為絕望,而cLH大鼠適合評(píng)估快感缺乏,DISC1-Q31 L小鼠兩類評(píng)估方法均適用。

1.1 FSL大鼠系(Flinders Sensitive rat Line)

FSL大鼠是Sprague-Dawley(SD)背景的選擇性繁育大鼠,原作為一種對(duì)抗膽堿酯酶反應(yīng)增強(qiáng)的動(dòng)物模型[6],表現(xiàn)出與抑郁患者的相似的快動(dòng)眼睡眠增加[7]及嗅覺(jué)受損[8]。FSL大鼠的行為學(xué)表型包括在FST中靜止時(shí)間增加,活動(dòng)性減少;在SPT實(shí)驗(yàn)中FSL快感缺乏的表型不明顯,不適合用SPT進(jìn)行評(píng)估[7],三室社交實(shí)驗(yàn)中FSL不愿意與不熟悉動(dòng)物社交,可作為重度抑郁(MDD)疾病模型[8]。在月齡方面2～3月齡的FSL在EPM和FST中抑郁癥狀不穩(wěn)定,6～7月齡后在NOR和FST中分別體現(xiàn)的認(rèn)知缺陷及抑郁癥狀不明顯,評(píng)估時(shí)應(yīng)選擇合適的月齡[9]。除抑郁外,FSL大鼠還表現(xiàn)出明顯的認(rèn)知缺陷及活動(dòng)障礙,生理結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為海馬皮質(zhì)5-羥基吲哚乙酸和去甲腎上腺素紊亂,海馬區(qū)脂質(zhì)過(guò)氧化增加[10]。

FSL現(xiàn)常作為自發(fā)抑郁癥模型,由于FSL的抑郁表型可由藥物治療逆轉(zhuǎn),適用于長(zhǎng)期和急性抗抑郁藥物治療效果評(píng)價(jià)[10-11],對(duì)五羥色胺選擇性再攝取抑制劑類和去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑三環(huán)類抗抑郁藥評(píng)估中效果較好[12]。

1.2 FH大鼠(Fawn Hooded rat)

FH大鼠原為選擇性繁育的高血壓大鼠[7],表現(xiàn)出與精神病患者相似的酒精攝入增加[13]。FH大鼠的行為學(xué)表型包括在FST中靜止時(shí)間明顯增加[13],在三室社交實(shí)驗(yàn)中總社交時(shí)間和攻擊行為均減少[14]。在生理結(jié)構(gòu)上FH大鼠的五羥色胺系統(tǒng)異常[15]。不同背景的的FH大鼠表型存在差異,其中ACI/N品系酒精偏好不明顯[13],FH/HamSlc品系具有特異性的狂躁行為,表現(xiàn)為刺激依賴的高活動(dòng)性抑制和單胺功能失調(diào),具有雙向情感障礙造模潛力[15]。

FH大鼠是常用的抑郁和焦慮模型,研究發(fā)現(xiàn)LH大鼠的焦慮和酗酒在一定聯(lián)系,可作為抗酗酒藥物篩選及抑郁-酒精共病模型[13],或?qū)⒊蔀樯缃豢謶职Y及其他社交行為受損的焦慮模型[14]

1.3 cLH大鼠(congenitally learned helpless rat)

cLH大鼠是選擇性繁育的先天習(xí)得性無(wú)助大鼠[16],雌性cLH大鼠表現(xiàn)出明顯的酒精剝奪效應(yīng)及先天類抑郁[17]。cLH大鼠的行為學(xué)表型包括在MWM中空間記憶正常,在SPT中快感缺乏表型明顯,適合評(píng)估抑郁癥的快感缺乏癥狀[18],在OFT中新環(huán)境的探索增加[19],在獎(jiǎng)賞實(shí)驗(yàn)中對(duì)獎(jiǎng)賞偏好反應(yīng)的切換速度減慢[20],在FC中僵直時(shí)間增加,與PTSD患者癥狀相似,cLH大鼠更傾向于形成及維持恐懼相關(guān)記憶[19]。cLH的先天性習(xí)得性無(wú)助行為能夠通過(guò)增加環(huán)境豐富度在14周時(shí)得到改善,28周徹底逆轉(zhuǎn)[21]。在生理結(jié)構(gòu)上cLH大鼠mGlu5表達(dá)升高[22]。cLH大鼠常作為長(zhǎng)期抑郁模型[22],或?qū)⒊蔀镻TSD疾病模型。

1.4 WKY大鼠系(Wistar-Kyoto rat Line)

WKY大鼠原為選擇性繁育的自發(fā)性高血壓大鼠,同時(shí)出現(xiàn)焦慮和抑郁表型。類似抑郁患者,WKY大鼠的快動(dòng)眼睡眠增加[6-7]。WKY的行為學(xué)表型包括在OFT中心區(qū)停留時(shí)間減少,FST中靜止時(shí)間增加[23]。此外,WKY出現(xiàn)精神運(yùn)動(dòng)遲緩,習(xí)得性無(wú)助,精神抑制,社交互動(dòng)減少等表型[24]。在生理結(jié)構(gòu)上WKY的海馬神經(jīng)元先天受損,腦內(nèi)糖酵解強(qiáng)度降低,線粒體功能損傷,甲狀腺功能減退[25]。

WKY是最常見的抑郁模型,可用作難治性抑郁模型,重度抑郁模型,產(chǎn)后抑郁模型和兒童抑郁癥動(dòng)物模型[6]。研究發(fā)現(xiàn)WKY對(duì)危險(xiǎn)和安全信號(hào)的處理與野生大鼠不同,將WKY作為PTSD模型[26],還有研究將WKY作為注意力缺陷多動(dòng)癥障礙(ADHD)模型[27]。

1.5 DISC1-Q31 L小鼠

DISC-1基因與情緒障礙和精神分裂癥密切相關(guān)[28]?，F(xiàn)有的DISC-1基因相關(guān)動(dòng)物模型包括過(guò)表達(dá)DISC-1的轉(zhuǎn)基因大鼠和轉(zhuǎn)基因小鼠,Disc1-L100P小鼠和DISC1-Q31 L小鼠,其中DISC1-Q31 L小鼠是C57/BL6背景,DISC-1基因外顯子2區(qū)發(fā)生127A/T顛換[29]。DISC1-Q31 L小鼠的行為學(xué)表型包括在SPT快感缺乏明顯,FST中靜止時(shí)間長(zhǎng),OFT中水平活動(dòng)性增加[29]。生理結(jié)構(gòu)上DISC1-Q31 L小鼠伏隔核多巴胺,血清素和去甲腎上腺素的含量降低[30],腦容量減少6%[29]。

DISC1-Q31 L小鼠是常見的抑郁模型,常用于抗抑郁藥物篩選,評(píng)估藥物對(duì)社交障礙及快感缺乏癥狀的改善作用[30]。

2 焦慮模型

常見的焦慮行為學(xué)評(píng)估方法包括OFT、EPM和LDB[6]。常見的遺傳性焦慮模型因具有明顯的抑郁表型,常作為抑郁模型或焦慮-抑郁共病模型。

2.1 HAB大鼠(high anxiety behaviour rat Line)

HAB是Wistar背景的先天焦慮及抑郁大鼠,表現(xiàn)出與抑郁患者相似的晝夜節(jié)律紊亂[6]。HAB的行為學(xué)表型包括在FST中靜止時(shí)間增加,OFT中心區(qū)探索減少[31],EPM中開放臂中停留時(shí)間和穿梭次數(shù)增加,低頭行為的持續(xù)時(shí)間和次數(shù)明顯增加,焦慮程度高[32],在FC中恐懼階段的心率和恐懼反應(yīng)增加,僵直時(shí)間仍高于對(duì)照組,表現(xiàn)為恐懼消退缺陷[33]。哺乳期的HAB拱背護(hù)理和幼崽回收行為的次數(shù)增加,母性攻擊增強(qiáng)[34]。生理結(jié)構(gòu)上HAB的多個(gè)腦區(qū)鞘脂代謝相關(guān)酶的活性增加[35]。

HAB常用于構(gòu)建焦慮,抑郁及焦慮-抑郁共病模型,常用于機(jī)制,治療措施和藥物篩選[33]。

2.2 BDNF+/-大鼠/小鼠(BDNF敲除大鼠/小鼠)

BDNF+/-大鼠為SD背景[36]。BDNF+/-大鼠和小鼠均表現(xiàn)出乙醇濫用表型。和重度抑郁患者相似,BDNF+/-大鼠和小鼠快感缺乏[37]。BDNF+/-大鼠的行為學(xué)表型包括在SPT和EPM中表現(xiàn)出明顯的快感缺乏和焦慮,在MWM中空間記憶缺陷并不明顯和TST中分別表現(xiàn)出的和行為絕望現(xiàn)象并不明顯[37]。在生理結(jié)構(gòu)上BDNF+/-大鼠的腦和血漿中BDNF含量減少,前額葉皮質(zhì)中糖皮質(zhì)激素受體,神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白1和神經(jīng)分裂癥干擾因子1上調(diào)[37]。

BDNF+/-大鼠和小鼠是常用的焦慮和抑郁模型[38],常用于精神分裂癥,自閉癥和物質(zhì)濫用研究[39]。目前有利用BDNF-KO雜合小鼠研究青春期激素暴露對(duì)成年期的影響[40]。除精神疾病外,BDNF-KO雜合小鼠模型也被用于認(rèn)知研究中[36]。關(guān)于BDNF+/-小鼠作為焦慮易感模型的穩(wěn)定性現(xiàn)仍存在爭(zhēng)議,有研究發(fā)現(xiàn)BDNF+/-小鼠在OFT,FST,安逸敏感度等評(píng)估中行為學(xué)表型并不明顯[41]。

3 自閉癥模型

常見的自閉癥遺傳模型有3種,均適用于以三室社交為代表的行為學(xué)評(píng)估方法,同時(shí)具有焦慮和抑郁表型。

3.1 FMR-1+/-小鼠(FMR-1敲除小鼠)

FMR1是自閉癥最常見的單基因病因,FMR-1+/-小鼠是C57/BL6背景,雌性出現(xiàn)與患者類似的自閉樣行為和聽源性癲癇[42],腦成熟后睡眠異常[43]。FMR-1+/-小鼠的行為學(xué)表型包括在LDB中穿梭次數(shù)增加,被動(dòng)回避受損[42],在OFT中活動(dòng)性升高,外周區(qū)停留時(shí)間增加,焦慮程度高[44],在FC中條件性恐懼反應(yīng)異常,PPI中脈沖前抑制缺陷[42],在三室社交實(shí)驗(yàn)中社交障礙明顯。超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)FMR-1+/-小鼠的社交次數(shù)自青春期明顯減少,而社交新穎性回避,高活動(dòng)性和情景恐懼等表型主要在成年期出現(xiàn)[45]。在生理結(jié)構(gòu)上FMR-1+/-小鼠的杏仁核,聽覺(jué)皮層及海馬CA2區(qū)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)密度降低[46]。

FMR-1+/-小鼠常作為脆X綜合征和自閉癥模型[42],常用于自閉癥機(jī)制研究和藥物篩選[47]。

3.2 MECP2+/-大鼠/小鼠(MECP2敲除大鼠/小鼠)

自閉癥患者M(jìn)ECP2基因啟動(dòng)子異常甲基化,大腦內(nèi)MECP2表達(dá)缺陷[48]。MECP2+/-小鼠是C57/BL6背景,大鼠是SD背景,由cre-loxP技術(shù)構(gòu)建[49-50]。MECP2+/-小鼠的行為學(xué)表型包括在OFT中中央?yún)^(qū)停留時(shí)間減少,探索的方格數(shù)目減少,直立次數(shù)增加,靜止時(shí)間增加,焦慮程度高[49]。在三室社交實(shí)驗(yàn)中社交障礙明顯[51],MECP2+/-小鼠和腦選擇性敲除的小鼠出生時(shí)正常,3～4周齡表現(xiàn)出輕微的步態(tài)異常[49],16周齡步態(tài)不協(xié)調(diào),運(yùn)動(dòng)缺陷明顯[51]。MECP2+/-小鼠后肢抱合,偶發(fā)癲癇及震顫,呼吸不規(guī)律,學(xué)習(xí)和記憶障礙,牙齒磨損嚴(yán)重,下頜錯(cuò)位[49]。半數(shù)MECP2+/-小鼠會(huì)在8～12周齡死亡[48]。雄性MECP2+/-小鼠個(gè)體的雄激素水平降低,雄性特征減少,行為學(xué)表型包括居住入侵測(cè)試中攻擊性降低,三室社交測(cè)試中社交行為增加[52]。MECP2+/-大鼠表現(xiàn)出與MECP2敲除小鼠類似的下頜錯(cuò)位、生長(zhǎng)遲緩、運(yùn)動(dòng)減少、呼吸無(wú)規(guī)律及社交缺陷等表型,前肢握力降低,藍(lán)斑神經(jīng)元過(guò)度放電,未見后肢抱合,半數(shù)個(gè)體在2月齡死亡[50]。

MECP2+/-大鼠和小鼠常作為自閉癥和Rett綜合征模型,現(xiàn)有研究利用MECP2+/-大鼠和小鼠用于研究自閉癥患者體感功能障礙和觸覺(jué)障礙[51]及Rett綜合征與肥胖的關(guān)系[53]。

3.3 shank3 KO小鼠(shank3敲除小鼠)

目前使用較多的是shank3B-/-小鼠和shank3αβ KO小鼠。shank3B-/-小鼠的行為學(xué)表型包括在EZM開放臂停留時(shí)間減少,LDB中進(jìn)入明室的潛伏期增加,三室社交實(shí)驗(yàn)中社交新穎性減少,OFT中成對(duì)的shank3B-/-小鼠互嗅鼻子、肛門及生殖器的次數(shù)減少。shank3B-/-小鼠偶發(fā)癲癇,3～6月齡出現(xiàn)過(guò)度梳理和自殘行為,一般交配群體中35%的個(gè)體皮膚損傷,大體解剖和組織學(xué)無(wú)明顯異常,紋狀體功能障礙[54]。shank3αβ KO小鼠的腸道微生物群顯著改變,糞便中的細(xì)菌主要為厚壁菌與放線菌,生理結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為小腸絨毛長(zhǎng)度減少,肝中脂多糖含量升高,IL-6含量升高,星形膠質(zhì)細(xì)胞激活[55]。目前shank3 KO小鼠常作為自閉癥模型用于機(jī)制研究[56]。

4 精神分裂癥模型

常見的3種精神分裂癥遺傳模型中,Disc1-L100P小鼠適合以PPI為代表的精神分裂癥行為學(xué)評(píng)估,tgDISC-1大鼠和小鼠及NCS-1 KO小鼠表現(xiàn)出一定程度的抑郁、焦慮和認(rèn)知缺陷。

4.1 tgDISC-1大鼠/小鼠(DISC-1轉(zhuǎn)基因大鼠/小鼠)

tgDISC-1大鼠和小鼠是轉(zhuǎn)基因模型。tgDISC-1小鼠的載體由人類DISC-1基因片段,αCaMKII啟動(dòng)子和pMM403構(gòu)建,導(dǎo)入C57/BL6小鼠的卵母細(xì)胞中獲得[28]。tgDISC-1大鼠的行為學(xué)表型包括在NOR和NPR中表現(xiàn)出超探索行為及對(duì)新物體和新位置的明顯偏好,在轉(zhuǎn)棒實(shí)驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)缺陷明顯[57],在EPM中運(yùn)動(dòng)距離和開放臂停留時(shí)間均減少,焦慮程度升高,在T迷宮中自發(fā)交替次數(shù)減少,短期工作記憶損傷[58]。tgDISC-1小鼠的行為學(xué)表型包括在TST和FST中靜止時(shí)間增加,FC中恐懼抑制受損[59]。生理結(jié)構(gòu)上tgDISC-1大鼠背側(cè)紋狀體突觸嚴(yán)重失調(diào)[60],tgDISC-1小鼠側(cè)腦室增大,大腦皮層減少,胼胝體發(fā)育不全,海馬和內(nèi)側(cè)前額葉皮層的多巴胺能神經(jīng)元減少,背外側(cè)額葉皮層移位,神經(jīng)突變短變少[59]。tgDISC-1小鼠晝夜節(jié)律正常,僅清醒時(shí)間長(zhǎng)于野生組[28]。目前tgDISC-1大鼠和小鼠常用作精神分裂癥模型。

4.2 Disc1-L100P小鼠(Disc1突變小鼠)

Disc1-L100P小鼠為C57/BL6背景,DISC1基因外顯子2區(qū)334 T/C顛換[29]。Disc1-L100P小鼠在FST中表現(xiàn)為可由抗抑郁藥物安非他酮逆轉(zhuǎn)的靜止時(shí)間增加[29],在PPI中表現(xiàn)出可由抗精神病藥物逆轉(zhuǎn)的脈沖前抑制和后抑制障礙[61。Disc1-L100P小鼠多動(dòng),聲驚跳反應(yīng)減少等精神分裂表型在12周齡時(shí)出現(xiàn)[61]。在生理結(jié)構(gòu)上,Disc1-L100P小鼠的腦容量減少13%[29]。

Disc1-L100P小鼠常作為精神分裂癥模型,常用于多巴胺相關(guān)精神分裂癥研究及藥物篩選,目前Disc1-L100P和DISC1-Q31 L在行為表型的穩(wěn)定性存在爭(zhēng)議[62]。

4.3 NCS-1 KO小鼠(NCS-1敲除小鼠)

NCS-1基因與自閉癥,雙向情感障礙和精神分裂癥均相關(guān),NCS-1 KO小鼠為C57/BL6背景,通過(guò)基因打靶技術(shù)獲得[63]。NCS-1+/-和NCS-1-/-小鼠的行為學(xué)表型包括在OFT中探索減少;NCS-1-/-在EPM開放臂停留時(shí)間減少,在Large-OFT中邊緣區(qū)停留時(shí)間明顯降低,在TST,FST中靜止時(shí)間增加,表現(xiàn)出明顯的焦慮和抑郁,在NOR中長(zhǎng)期記憶受損[64],在MWM中表現(xiàn)空間學(xué)習(xí)記憶缺陷[63]。食物工作的意愿降低,在三室社交,社會(huì)交互和居住入侵實(shí)驗(yàn)中社交活動(dòng)減少[65]。在生理結(jié)構(gòu)方面,NCS-1-/-小鼠腦內(nèi)的BDNF和多巴胺含量下降[66],NCS-1-/-成年鼠體重增加,高脂食物喂養(yǎng)后易演化為2型糖尿病,可能提供精神疾病與肥胖的潛在聯(lián)系[63]。NCS-1-/-小鼠常作為精神分裂模型用于機(jī)制研究和藥物篩選。研究發(fā)現(xiàn)NCS-1通過(guò)直接或間接增加BDNF含量調(diào)節(jié)空間學(xué)習(xí)和記憶,多巴胺受體相關(guān)蛋白可以與與NCS-1相互作用,D2R/NCS-1互作模型或?qū)⒊蔀榭咕癫∷幮掳袠?biāo)[67]。

5 PTSD模型

PTSD的結(jié)構(gòu)和功能障礙與FKBP5密切相關(guān)[68]。FKBP5 KO小 鼠 是C57/BL6背 景[69]。FKBP5 KO小鼠目前研究較少,行為學(xué)表型包括在FST中的游泳時(shí)間增加,在EPM中開放臂停留時(shí)間減少,對(duì)新的急性刺激反應(yīng)減弱,恢復(fù)增強(qiáng)[70],并表現(xiàn)出并非由味覺(jué)和酒精代謝差異引起的酒精消耗量增加[71]。在生理結(jié)構(gòu)方面,FKBP5 KO小鼠的體重和腎上腺重量均減少,皮質(zhì)酮水平下降。在同樣的壓力條件下,FKBP5 KO小鼠在生理結(jié)構(gòu)上軸突發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)下降[72]。

FKBP5 KO小鼠可作為PTSD模型。FKBP5或?qū)⒊蔀镻TSD生理學(xué)研究潛在靶點(diǎn)[72]。

6 小結(jié)

本文主要分析了常見的14種常見的精神疾病大鼠和小鼠遺傳模型及適用的的行為學(xué)評(píng)估方法,其中FH大鼠、cLH大鼠、WKY大鼠、HAB大鼠、BDNF-KO大鼠/小鼠具有多種精神表型,適用于評(píng)估多種精神疾病。FMR-1 KO小鼠、MECP2 KO大鼠/小鼠作為有精神疾病表型的遺傳病模型,主要用于遺傳病研究,對(duì)特定精神狀態(tài)評(píng)估特異性不強(qiáng)。BDNF+/-小鼠、Disc1-L100P小鼠和DISC1-Q31 L小鼠行為學(xué)表型的穩(wěn)定性存在爭(zhēng)議。研究者在實(shí)驗(yàn)時(shí)需注意這些模型的特點(diǎn)和適用范圍,結(jié)合評(píng)估方法,根據(jù)實(shí)際需要做出選擇。未來(lái)的精神疾病動(dòng)物模型或?qū)Ⅲw現(xiàn)出遺傳與環(huán)境的交互作用,向著可靠、特異的方向發(fā)展。