成人早老症？让我来搞定！——WRN基因编辑小鼠【每周一鼠】

WRN蛋白由1432个氨基酸残基组成，分子量为160kD。在WRN的N末端是一个核酸外切酶（exonuclease）区域，该结构域使得WRN蛋白与核酸结构相互作用，该蛋白是人类RecQ解旋酶家族中唯一具有3’-5’核酸外切酶活性的成员。

图1. WRN的蛋白相关信息

该蛋白还具有一个解旋酶（helicase）结构域，能结合并水解ATP，从而在ATP的供能下解开双链DNA。外切酶和解旋酶区域中间有一个具有转录活性的酸性区域。其右侧有一个高度保守的RecQ碳末端（RQC）结构域，在稳定结构及识别结合DNA方面发挥作用。另外，在C末端有一个核定位信号。该蛋白在DNA复制、DNA转录、DNA修复、维护端粒稳定和转录后修饰中具有重要的作用。

来源：RDDC罕见病数据中心

（https://rddc.tsinghua-gd.org/details/gene?gene=xrjwOx）

下图展示了WRN基因座中鉴定出来总共83种不同的致病突变。这些突变包括29个插入缺失、23个剪切异常突变、23个无义突变、3个基因重排和5个错义突变（可以通过访问：http://www.pathology.washington.edu/research/werner/database/获得更新数据）。大多数WRN突变会导致mRNA降解或者蛋白翻译的提前终止。外切酶结构域上的K125N和K135E突变会导致蛋白质不稳定，但不会导致蛋白失去外切酶活性。解旋酶结构域上的错义突变G574R会导致酶活性丧失。很多突变没有致病机制的实验验证。图中显示了蛋白的35个外显子、结构域、突变类型、大片段重排，新发现的突变用*表示。

图3. WRN基因上点突变的相关信息^[2]

WRN蛋白是解旋酶RecQ家族成员之一。人类保守RecQ家族还包括RecQ1、引起BLOOM综合症的蛋白BLM、引起Rothmund-Thomson综合症的蛋白RecQ4和RecQ5。RecQ4、BLM和WRN（RecQ2）3个蛋白的缺陷都可以导致人类肿瘤易感性和过早老化的病理学变化。WRN基因突变导致沃纳（Werner）综合征，又名成人早老症。是一种由于染色体8p11-12发生退行性突变而导致的常染色体隐性遗传性疾病。临床特征包括早衰和各种与早衰相关的继发性症状，包括双眼白内障，典型皮肤病变（皮肤变薄、硬化、色素样改变、溃疡、过度角化、局部皮下萎缩），身材矮小，早老头发灰白稀疏，双亲近亲婚配史或受累同胞。此外患者常会发生II型糖尿病，骨质疏松，肢端骨样硬化，软组织钙化，性腺机能减退，动脉粥样硬化，间质肿瘤和声音改变。WS患者平均死亡年龄在46-54周岁，其中最主要的死因是恶性肿瘤和心肌梗死。

图4. WRN基因异常引起的相关疾病（https://rddc.tsinghua-gd.org/details/gene?gene=xrjwOx）

尽管WRN解旋酶在人体细胞中有多种酶活性，WRN敲除小鼠并不显示任何人类WS表型。其中一个人与小鼠之间的差异就是WRN蛋白在细胞内的定位。人的WRN蛋白定位于核仁，在DNA损伤时定位在核质。而小鼠的WRN蛋白一直定位在核质。

研究人员进而用WRN和mTerc（编码端粒酶RNA）基因敲除小鼠发现其后代显示出大部分类似人类WS的经典临床特征，如更早出现伤口愈合功能减退、伴有骨折的骨质疏松、性腺机能减退、白内障、II型糖尿病以及早老性死亡。这种早衰型症状可能是由于WRN的缺失以及端粒功能异常协同作用，加速了端粒的缩短，导致染色体末端融合的增加，以及染色体的非交互移位等导致染色体不稳定的现象。这种染色体不稳定的现象更加剧了如骨肉瘤等间叶细胞癌的生成，最终导致个体表现出早衰症状。WRN失活的小鼠因其端粒仍比较长，所以不表现人类WS相关症状，WRN还能和端粒酶一起维持端粒的完整性。研究人员还发现Wrn和p53双基因纯合敲除的小鼠具有比Wrn杂合p53纯合敲除的小鼠更短的生存时间。

图5. 图片为人和小鼠WRN基因的结构，以及三种WRN基因突变小鼠中基因的改变^[1]

不产生移码突变的删除了解旋酶结构域的小鼠（Wrn^Δhel/Δhel）在生命周期的第一年具有正常的表型，实验结果显示，Wrn^Δhel/Δhel小鼠的寿命大约为18.7个月，Wrn纯合敲除小鼠的寿命大约为21.4，同窝野生型小鼠的寿命大约为22.8个月。研究人员还发现，相较于Wrn纯合敲除小鼠或野生型小鼠，炎症细胞因子、IL-10和PAI-1（纤溶酶原激活物抑制物-1）的表达在Wrn^Δhel/Δhel小鼠中都显著增加。Wrn^Δhel/Δhel小鼠中Wrn蛋白错误的定位在内质网和过氧化物酶可能是造成Wrn^Δhel/Δhel小鼠相较于Wrn纯合敲除小鼠产生额外表型的原因。

小鼠WRN功能丧失所导致的早衰表型具有重要临床意义，对该基因的深入研究有助于探讨该基因导致的早衰症的分子机制，同时亦可用于疾病治疗新方法的研究。