成人早老症?让我来搞定!——WRN基因编辑小鼠【每周一鼠】
沃纳综合征(Werner)又称成人早老症,是WRN基因突变导致的疾病,该病会导致患者对肿瘤易感,并出现一些早老化的病理学变化,包括眼部变化、皮肤病变、头发稀疏等,还可能产生糖尿病、骨质疏松、肿瘤等并发症。
赛业生物《每周一鼠》,每周五更新,为大家讲解一个小鼠模型的故事,希望对大家了解不同的小鼠模型有所帮助。今天和大家见面的是WRN基因敲除小鼠。
WRN基因简介
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。
![WRN基因编辑小鼠](https://web.cdn.cyagen.com/media/uploads/3_49nH6Dq.png)
来源:RDDC罕见病数据中心
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。
![WRN基因编辑小鼠](https://web.cdn.cyagen.com/media/uploads/4_0HGPhMo.png)
图3. WRN基因上点突变的相关信息[2]
WRN相关疾病介绍
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)
WRN基因敲除小鼠
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。
![WRN基因编辑小鼠](https://web.cdn.cyagen.com/media/uploads/6_SFbmOVe.png)
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(WrnΔhel/Δhel)在生命周期的第一年具有正常的表型,实验结果显示,WrnΔhel/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WrnΔhel/Δhel小鼠中都显著增加。WrnΔhel/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WrnΔhel/Δhel小鼠相较于Wrn纯合敲除小鼠产生额外表型的原因。
总结
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。
RDDC助力罕见病研究
![WRN基因编辑小鼠](https://web.cdn.cyagen.com/media/uploads/7_qRWdcSY.jpg)
作为广州罕见病基因治疗联盟的成员之一,赛业生物启动了“罕见病基因解码计划”,积极响应AI赋能罕见病诊疗号召,助力RDDC搭建,致力于完善罕见病致病基因数据。
用户登录RDDC后,不仅可以全面了解相应罕见病的信息,而且可以利用各项AI工具进行致病性预测、剪切位点改变预测等,助力加快罕见病诊疗研究及治疗方案的开发,欢迎登录官网(rddc.tsinghua-gd.org)查看使用!
*声明:RDDC数据和工具仅为科研使用,仅供参考,不可作为医学诊断和评判的最终定论。
参考文献:
1. Chen L, Oshima J. Werner Syndrome. J Biomed Biotechnol. 2002;2(2):46-54. doi: 10.1155/S1110724302201011.
2. Yokote K, Chanprasert S, Lee L, Eirich K, Takemoto M, Watanabe A, Koizumi N, Lessel D, Mori T, Hisama FM, Ladd PD, Angle B, Baris H, Cefle K, Palanduz S, Ozturk S, Chateau A, Deguchi K, Easwar TK, Federico A, Fox A, Grebe TA, Hay B, Nampoothiri S, Seiter K, Streeten E, Piña-Aguilar RE, Poke G, Poot M, Posmyk R, Martin GM, Kubisch C, Schindler D, Oshima J. WRN Mutation Update: Mutation Spectrum, Patient Registries, and Translational Prospects. Hum Mutat. 2017 Jan;38(1):7-15. doi: 10.1002/humu.23128. Epub 2016 Oct 7.
3. Lebel M, Monnat RJ Jr. Werner syndrome (WRN) gene variants and their association with altered function and age-associated diseases. Ageing Res Rev. 2018 Jan;41:82-97. doi: 10.1016/j.arr.2017.11.003. Epub 2017 Nov 14. PMID: 29146545.
4. Hsu TY, Hsu LN, Chen SY, Juang BT. MUT-7 Provides Molecular Insight into the Werner Syndrome Exonuclease. Cells. 2021 Dec 8;10(12):3457. doi: 10.3390/cells10123457.
5. Hui CW, St-Pierre MK, Detuncq J, Aumailley L, Dubois MJ, Couture V, Skuk D, Marette A, Tremblay JP, Lebel M, Tremblay MÈ. Nonfunctional mutant Wrn protein leads to neurological deficits, neuronal stress, microglial alteration, and immune imbalance in a mouse model of Werner syndrome. Brain Behav Immun. 2018 Oct;73:450-469. doi: 10.1016/j.bbi.2018.06.007. Epub 2018 Jun 15. PMID: 29908963.
6. 任军. 特殊表型Werner综合征一例研究[D]. 南方医科大学, 2013.
7. 朱曦. WRN的表达及表观遗传学改变与年龄相关性白内障的关系[D]. 南通大学.(2016)
8. 贾舒婷, 杨世华, 罗瑛. Werner综合征小鼠模型在早衰与肿瘤研究中的应用[J]. 遗传, 2009, 31(8):6.
上一篇: 嚯!小小老鼠居然有大大脑袋~
下一篇: 救急!小鼠皮肤状态异常怎么办?
填写需求描述给我们
工具快速咨询
400-680-8038
info@cyagen.com