中科院脑智卓越中心建立早发癫痫性脑病食蟹猴模型

发布时间:2022-03-23

  2022323日,《Molecular Therapy》期刊在线发表了题为Base-edited Cynomolgus Monkeys mimic core symptoms of STXBP1 encephalopathy的研究论文。该研究主要由中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(神经科学研究所)、上海脑科学与类脑研究中心、中国科学院灵长类神经生物学重点实验室孙强研究平台、刘真研究组和上海科技大学黄行许研究组合作完成。该研究通过单碱基编辑技术,成功构建了早发癫痫性脑病食蟹猴模型。该模型在基因、细胞、脑电活动(EEG)、行为、药物干预等方面都再现了人类病患典型的临床特征。该模型的建立也为后续的疾病机理研究、干预手段探索、药物测试等提供了新的工具。 

  突触前突触融合蛋白结合蛋白1STXBP1)对于神经递质释放至关重要。STXBP1基因杂合突变会导致幼儿期的STXBP1脑病(STXBP-E),主要症状为智力障碍和癫痫。尽管利用小鼠模型开展的相关研究取得了诸多进展,但却不能很好地模拟STXBP1-E患者中出现的严重癫痫发作和典型的抑制爆发脑电图模式。由于非人类灵长类实验动物在进化上与人类更为接近,研究团队构建了具有STXBP1突变的食蟹猴模型。 

  该研究首先利用胞嘧啶单碱基编辑器(A3A)和单精注射技术对STXBP1基因上的热点突变R292H进行模拟,随后通过灵长类胚胎辅助生殖技术将编辑后的胚胎移植到代孕猴子宫内,并获得了2只出生个体,以及3只流产猴。基因型鉴定和嵌合率分析结果显示:出生猴的组织接近杂合突变,而流产猴组织接近纯合突变,这些结果与STXBP1基因突变纯合致死的报道一致。 

  表型分析和行为观察结果显示:在排除了肌阵挛(短暂的、抽搐的、类似休克的不自主运动)后,在两只出生猴上都观察到了局灶性癫痫和单侧阵挛等典型的癫痫症状。进一步的EEG研究发现,STXBP1突变猴的脑电具有典型的癫痫放电和爆发抑制性模式(suppression-burst EEG)。爆发抑制性脑电被广泛认为是大脑深度失活的基本特征,常见于深度麻醉,体温过低,昏迷和早发婴儿脑病,这种脑电模式通常与不良预后相关。在癫痫动物模型中,这些典型的爆发抑制性脑电模式是第一次被发现和报道。同时,研究团队还发现STXBP1突变猴脑电中低频振荡频率明显高于野生猴,这种现象也见于婴儿难治性癫痫的报道中,被称为婴儿痉挛症。 

  研究团队随后对疾病猴进行了左乙拉西坦药物的干预和脑电水平的追踪记录。遗憾的是在给药后,癫痫症状和脑电模式都没有明显的好转。放电源(推测癫痫灶)主要集中在前额叶,偶尔会转移到枕部区域,这也反映了当前药物对难治性癫痫治疗效果不佳。 

  研究人员通过生化分析发现R292H突变可以阻断STXBP1蛋白与Syntaxin1蛋白的结合。STXBP1突变猴脑组织表现出明显的SNARE复合物、STXBP1蛋白和Syntaxin1蛋白减少。上述结果说明STXBP1突变猴神经递质释放相关功能受到了影响。为了进一步利用STXBP1突变猴模型,研究人员对一只STXBP1突变猴的前额叶皮层取样后开展了单细胞核转录组测序。结果显示,最明显的变化是STXBP1突变猴中ExN7神经元的数量和比例明显降低,甚至消失。基因本体分析表明,这类神经元的发育受到影响,提示了特定神经元在疾病发生中可能存在的作用。该研究也认真评估了单碱基编辑器在模型构建过程潜在的脱靶效应,结果显示:尽管存在明显的基于脱氨酶的随机脱靶效应,但脱靶位点与模拟的疾病表型不相关。 

  该研究首次利用单碱基编辑技术获得了癫痫性脑病非人灵长类动物模型,并证明该模型可以更好地模拟人类癫痫性脑病,展示了非人灵长类动物模型在神经系统相关疾病研究中的优势和前景。 

  中科院脑智卓越中心博士后陆宗阳,博士研究生何思婷和庄凌,博士后姜建为论文共同第一作者。中科院脑智卓越中心孙强研究员、刘真研究员和上海科技大学的黄行许研究员为该论文的共同通讯作者。本课题还得到了脑智卓越中心熊志奇研究员、张洪钧研究员以及北京生命科学研究所曹鹏研究员的建议和指导。在论文撰写过程中得到了脑智卓越中心学术主任蒲慕明院士给予的指导。本工作得到了中科院、上海市、科技部及基金委的项目支持。

附件下载: