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摘要：衰老是一個逐漸增加機體對死亡的脆弱性的過程。它影響不同的生物學(xué)途徑，其基本的細胞機制是復(fù)雜的。鑒于人口老齡化疾病負擔(dān)日益加重，正在加大努力以了解老齡化的途徑和機制。我們回顧了一些常用于衰老研究的小鼠模型，突出了不同策略的優(yōu)缺點，并討論了它們與疾病易感性的相關(guān)性。除了介紹小鼠的遺傳學(xué)和表型分析之外，我們還討論了延遲或加速衰老模型及其通過熱量限制的調(diào)控的實例。
關(guān)鍵詞：衰老 小鼠模型 延緩衰老 加速衰老 熱量限制
小鼠衰老模型：對老鼠的老化研究既昂貴又耗時。因此，使用加速老化和/或壽命縮短的小鼠研究衰老是誘人的。然而，這些研究應(yīng)謹慎解釋。這些小鼠可能表現(xiàn)出典型的衰老特征，但它們在正常老年小鼠中常表現(xiàn)出不可見的特征。早老綜合癥的患者中看到的，這是一種以兒童時期開始迅速出現(xiàn)老化為特征的遺傳狀況。雖然這些患者表現(xiàn)出一些正常老化的特征，但也表現(xiàn)出許多老年人看不到的特征。因此，所有可用的加速老化小鼠模型都不能完全代表小鼠的正常老化。加速老化的小鼠模型可以提供對正常生理老化中惡化的機制以及前驅(qū)綜合征中過早老化過程的洞察。對延緩衰老的小鼠的研究也可以為控制衰老率提供線索。這可能是開發(fā)藥物以延緩衰老并延緩疾病進展的第一步。>>>商務(wù)洽談，點此處，在線咨詢
早產(chǎn)兒綜合征是極為罕見的人類疾病，其特征是早衰和縮短壽命。前列腺綜合征包括影響核膜內(nèi)穩(wěn)態(tài)的層狀病變(HGPS)和影響DNA修復(fù)機制和端粒長度的疾病，如Cockayne綜合征、Werner綜合征(WS)、共濟失調(diào)毛細血管擴張癥和三硫代營養(yǎng)不良。這些條件顯示出人類正常衰老生理的許多特征，并且鑒定導(dǎo)致這些特征的突變使得能夠產(chǎn)生過早老化的小鼠模型。Wolfram綜合征(WFS)是由WFS1基因突變引起的一種非常罕見的遺傳性疾病，其特征為尿崩癥、糖尿病、視神經(jīng)萎縮和耳聾(DIDMOAD)。WFS的壽命減少了，平均預(yù)期壽命為30年。雖然WFS1的具體功能尚不清楚，但WFS1基因編碼的跨膜蛋白Wolframin被認為參與調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)應(yīng)激和鈣穩(wěn)態(tài)。
Hutchinson-Gilford 早衰綜合征小鼠模型：HGPS在生命的最初兩年開始，平均預(yù)期壽命為13.5年。患者顯示生長遲緩，?脂肪代謝障礙，硬皮病，骨畸形和發(fā)育不全。心血管并發(fā)癥，如心肌梗死或由于動脈粥樣硬化過早引起的中風(fēng)，是最常見的死亡原因。HGPS是一種由核纖層A(LAMNA)中的新點突變引起的早產(chǎn)兒板層病變。該基因編碼A型層粘連蛋白(LAMIA/C)，形成核包膜。突變改變細胞核形態(tài)和功能，導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性，并引發(fā)異常細胞增殖。最常見的HGPS突變是C端結(jié)構(gòu)域的缺失，該缺失消除了鋅金屬蛋白酶ZMPSTE24法尼基化的蛋白水解裂解位點。結(jié)果是一種被稱為PraveRin的法尼基化異常蛋白的積累，這也發(fā)生在正常的老化過程中。
HLAS小鼠模型：是基于LAMNA基因或其加工酶修飾的層狀病變模型。LmnaHG基因敲入小鼠只表達progerin(層粘連蛋白A未被法尼化的形式)，其積累導(dǎo)致核膜改變。這些小鼠失去皮下脂肪和毛發(fā)，發(fā)展骨質(zhì)疏松癥，在沒有心血管疾病的情況下過早死亡。LMNAG609G小鼠由于基因的缺陷剪接也積累了早衰蛋白，發(fā)育異常核。在三周大的時候，它們表現(xiàn)出生長遲緩、體重增加減少、脊柱彎曲和血管鈣化，并且在大約3.5個月時死亡。他們還發(fā)展低血糖和降低胰島素樣生長因子水平。基因敲除小鼠模型(zmpste24 zmpste24-/ -鼠)顯示法尼基化前體蛋白A的積累。雖然缺乏ZMPSTE24基因會導(dǎo)致圍產(chǎn)期死亡，但Zmpste24-/-小鼠是可行的，并且表現(xiàn)出與HGPS患者相似的表型。Zmpste24-/-小鼠模型其一出現(xiàn)生長遲緩、脫發(fā)、肌肉無力和骨折，而另一只則出現(xiàn)擴張性心肌病、肌營養(yǎng)不良和脂肪營養(yǎng)不良，過早死亡。
Werner綜合征小鼠模型的建立：WS患者有白內(nèi)障，生長遲緩，早期?泛灰，脫發(fā)，硬皮病樣皮膚改變、骨質(zhì)疏松癥、糖尿病、動脈粥樣硬化和高的癌癥患病。該病是由Werner綜合征ATP依賴性螺旋酶(WRN)突變引起的，WRN是一種具有螺旋酶和外切核酸酶活性的酶，參與DNA代謝和端粒內(nèi)穩(wěn)態(tài)。基因缺陷導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定性，包括受損的DNA損傷修復(fù)和異常增殖。已經(jīng)生成了幾種WS小鼠模型。WRN(Wrn-/-小鼠)螺旋酶單元缺陷的小鼠顯示高甘油三酯血癥、胰島素抵抗、活性氧(ROS)水平升高、氧化性DNA損傷、癌癥發(fā)病率增加和壽命縮短。雖然Wrn-/-小鼠表現(xiàn)出與WS患者相似的分子和細胞改變，但它們不產(chǎn)生加速老化的癥狀。. 然而，缺乏Wrn和端粒酶RNA組分(也稱為Terc)基因的雙突變小鼠重現(xiàn)了與WS密切相關(guān)的前驅(qū)體癥狀。這些小鼠表現(xiàn)出端粒縮短、過早死亡、頭發(fā)變白、脫發(fā)、骨質(zhì)疏松、II型糖尿病、白內(nèi)障、染色體不穩(wěn)定性增加和癌癥。這些研究表明端粒消耗是WS缺陷表現(xiàn)的一個關(guān)鍵因素。類似地，Wrn-/-p53-/-雙缺陷小鼠比Wrn+/-p53-/-小鼠具有更高的死亡率，可能是由于基因組不穩(wěn)定性增加或WRN缺陷加速了癌癥表型。
Walfram綜合征小鼠模型：WFS1基因的功能尚不清楚，但有證據(jù)表明它參與了細胞的存活和變性。WFS1缺乏癥小鼠模型顯示非功能性Wfs1基因?qū)е律L遲緩并縮短預(yù)期壽命。此外，這些小鼠顯示出退化生物學(xué)過程的激活，導(dǎo)致胰島、體重和生育力的減少。WFS1缺陷小鼠具有永久激活的ER應(yīng)激，導(dǎo)致多種組織變性。三個不同的組已經(jīng)開發(fā)了WFS1缺陷小鼠。第一只WFS1突變小鼠是通過將新霉素(Neo)抗性盒插入Wfs1基因的外顯子2而發(fā)展起來的，導(dǎo)致大腦、心臟和胰島中轉(zhuǎn)錄本剪接的改變。新插入產(chǎn)生氨基末端截短的WFS1蛋白，由于翻譯從一個內(nèi)部起始密碼子開始。在集成數(shù)據(jù)庫中注釋至少三個轉(zhuǎn)錄本。因此，這種新盒敲入可能會導(dǎo)致WFS1蛋白截短而不干擾閱讀框。這些WFS1突變小鼠的非禁食血糖水平在大約16周齡時開始升高，到36周齡時，超過一半的小鼠患有明顯的糖尿病。 有趣的是，這種作用依賴于小鼠的遺傳背景，而在C57BL/6J背景中沒有觀察到糖尿病。同樣，這強調(diào)了遺傳背景對表型的影響。此外，在這些小鼠中發(fā)現(xiàn)胰島素分泌顯著減少和凋亡增加。胰島素分泌減少是由于WFS1缺陷的β細胞刺激與分泌的偶聯(lián)受損所致。有趣的是，作者沒有看到體重減輕、失明或WFS的任何其他特征。總的來說，這些發(fā)現(xiàn)表明不同的WS小鼠模型是研究年齡相關(guān)過程和退化的良好模型。
線粒體突變與衰老：年齡與線粒體突變的積累和線粒體功能的衰減有一定的相關(guān)性。因此，推測線粒體的變化與年齡相關(guān)性疾病的發(fā)展之間也可能有因果聯(lián)系。與核DNA一樣，在復(fù)制過程中有保持線粒體基因組完整性的特定機制。該全酶由POLGA編碼的催化亞基和由POLG2編碼的二聚亞基組成。在野生型小鼠中，通過取代Asp198、Glu200等關(guān)鍵殘基，可大大降低polγ的校對活性，從而提高polγ的固有錯誤率。這種固有的錯誤率被認為是老化期間線粒體基因組中突變累積的主要原因。因此，通過降低線粒體polγ的效率，從而減少線粒體突變的積累，可以在這些小鼠中研究線粒體功能障礙與年齡相關(guān)表型的關(guān)系。在兩項獨立的研究中，通過突變臨界Asp257來抑制小鼠的polγ校對閱讀，導(dǎo)致與年輕小鼠的老化發(fā)展有關(guān)的幾種表型。這兩組突變小鼠都表現(xiàn)出后凸、脫發(fā)、貧血和體重減輕，在分離的研究中，它們的平均壽命顯著縮短到48周和59周。40周POLG小鼠脂肪減少、骨密度降低和心肌病。2個月大的突變小鼠的線粒體表現(xiàn)出明顯更高的突變負荷，從而暗示突變累積發(fā)生在發(fā)育過程中。盡管在這個年齡段有顯著的突變負荷，但早期發(fā)病的衰老表型是不可檢測的。相反，當(dāng)觀察到加速老化表型時，突變率在6個月齡時沒有顯著增加。這些表型可能是由功能失調(diào)的線粒體的積累引起的，可能是由突變的線粒體的克隆性擴增引起的，導(dǎo)致ROS /細胞凋亡水平的增加和伴隨的組織功能喪失。總之，PolG小鼠在其mtDNA中發(fā)生了顯著增加的突變負載，并在早期形成許多與年齡相關(guān)的表型。然而，突變負荷和加速老化之間的聯(lián)系，以及所觀察到的表型是否真正加速老化，并沒有得到結(jié)論性的證明，即使PolG小鼠的表型看起來衰老得更快。另一項小鼠研究證實線粒體DNA突變與衰老之間存在因果聯(lián)系，表達POLGA的閱讀缺陷小鼠的純合子敲除顯示出壽命減少和早衰相關(guān)的表型如體重減輕、皮下脂肪減少、脫發(fā)、駝背、骨質(zhì)疏松、貧血、生育率降低和心臟增大。
炎性衰老：衰老的特點是慢性低度炎癥，這種現(xiàn)象被稱為“炎癥”。因此，在小鼠中干擾炎癥信號轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)致幾種具有加速延遲老化表型的小鼠模型，例如腦特異性IKKβ敲除小鼠、Nfkb1-/-小鼠和IL-10缺陷小鼠。活化B細胞核因子κ-輕鏈增強子(NF-κB)是控制DNA轉(zhuǎn)錄、細胞因子產(chǎn)生和細胞存活的蛋白質(zhì)復(fù)合物，在調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答中起關(guān)鍵作用。在失活狀態(tài)下，NF-κB位于與抑制性蛋白IκBα復(fù)合的細胞質(zhì)中。. IκB激酶(IKK)能夠磷酸化IκBα，最終導(dǎo)致IκBα降解，隨后激活的NF-κB轉(zhuǎn)運到細胞核，隨后轉(zhuǎn)錄激活。有趣的是，NF-κB活性的改變嚴重影響小鼠的壽命和健康范圍。與野生型小鼠相比，腦特異性IKKβ敲除小鼠表現(xiàn)出明顯的長壽表型。令人驚訝的是，這還與認知的改善和防護老化引起的肌肉和皮膚萎縮、骨丟失和膠原蛋白交聯(lián)有關(guān)。因此，當(dāng)它們?nèi)匀焕匣瘯r，這些腦特異性的IKKβ敲除似乎比正常小鼠衰老得慢。相比之下，Nfkb1的丟失加速了可觀察到的與年齡相關(guān)的特征，從而導(dǎo)致壽命的縮短：雖然所有的Nfkb1+/+動物在1歲時仍然存活，但是此時只有70%的Nfkb1-/-小鼠仍然存活。此外，這些小鼠顯示出與年齡相關(guān)的骨骼過早改變、組織炎癥和中樞神經(jīng)系統(tǒng)膠質(zhì)增生增加、凋亡減少和細胞衰老增加。有趣的是，端粒功能失調(diào)衰老細胞在Nfkb1-/-組織中的積累可以通過小鼠的抗炎或抗氧化治療來阻斷，這突出了這些小鼠在研究年齡相關(guān)干預(yù)方面的潛在應(yīng)用。白細胞介素-10(IL-10)是一種具有抗炎活性的細胞因子，通過抑制巨噬細胞活化和抑制Th1細胞產(chǎn)生的炎性細胞因子的產(chǎn)生。
加速老化的其他小鼠模型：還描述了其他具有加速老化表型的小鼠，如KLotho缺陷小鼠和DNA修復(fù)突變小鼠。有趣的是，Klotho在小鼠中的缺失對預(yù)期壽命有很大影響，而Klotho的過度表達延長了人的壽命，并且Klotho的功能變異與長壽群體或與人類年齡相關(guān)表型的發(fā)病和嚴重程度有關(guān)。另一方面，XPD突變的小鼠，其編碼參與修復(fù)和轉(zhuǎn)錄的DNA螺旋酶，表現(xiàn)出許多過早老化的癥狀，包括骨質(zhì)疏松、后凸、骨硬化、早發(fā)灰、惡病質(zhì)、不育和壽命縮短。類似地，切除修復(fù)交叉互補基因突變致殘的基因工程小鼠在DNA修復(fù)方面存在缺陷，并伴有代謝應(yīng)激引起的生理變化，導(dǎo)致過早老化。
人們普遍認為，卡路里限制(CR)是延緩衰老過程和支持健康衰老的最有效的已知方法之一。在不同的小鼠模型中，CR降低與年齡相關(guān)的慢性疾病的危險因素，如心血管疾病(CVD)、糖尿病、神經(jīng)元、自身免疫、腎臟、呼吸道疾病和癌癥。許多研究人員通過減少食物總量或減少飲食中碳水化合物、脂肪或蛋白質(zhì)的量來限制卡路里的消耗。其他動物則采用限時喂養(yǎng)(tRF)，即動物每天只能獲得四到八個小時的食物，但所消耗的卡路里的總量并不受限制。在間歇性卡路里限制(ICR)或間歇性禁食(IF)中，動物在一周中的某些天可以獲得食物，而慢性卡路里限制(CCR)在整個研究中食物受到限制。這些研究報告了不同類型的飲食方案對衰老或年齡相關(guān)疾病的有益作用。小鼠通常被用來研究CR對衰老和年齡相關(guān)疾病的影響。它們可用于研究CR對壽命或健康壽命的影響，因為它們在系統(tǒng)發(fā)育上與人類接近，并且比無脊椎動物更容易受到CR協(xié)議的影響。對小鼠模型的研究表明，限制熱量攝取40-60%可延長30-50%的壽命，并降低與年齡有關(guān)的功能喪失和疾病，包括神經(jīng)變性的發(fā)生率。
總結(jié)：雖然小鼠可能不是研究衰老的理想模型，但它作為哺乳動物生物學(xué)模型的應(yīng)用將繼續(xù)對疾病的病理生物學(xué)、與衰老有關(guān)的基本過程以及衰老與疾病之間的關(guān)系提供重要的見解。我們給出一些例子，說明加速衰老和延遲衰老的小鼠模型如何提供對正常生理衰老過程和早老在早老綜合征中的致病機制的洞察。CR延緩衰老的能力在廣泛的小鼠衰老模型中得到了徹底的驗證。自交系在遺傳多樣性方面是有限的，因此發(fā)展出特有的表型，易于操縱遺傳，并且可以獲得廣泛的基線數(shù)據(jù)。另一方面，近交系小鼠更代表人類的遺傳多樣性，但它們在改變基因組方面存在問題。雖然許多實驗室使用類似的技術(shù)來研究衰老，但迫切需要開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的表型，以跨越反映患者脆弱性的一系列生理系統(tǒng)。這將產(chǎn)生關(guān)于特定途徑的更加一致的數(shù)據(jù)，這些特定途徑對于老齡化至關(guān)重要。
來源：Mechanisms of Ageing and Development Volume 160, December 2016, Pages 41-53
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