阿爾茨海默病果蠅模型中Aβ毒性的長度依賴性

阿爾茨海默病果蠅模型中Aβ毒性的長度依賴性

韓萌馬萍麗1葉春艷2張保柱1章海燕2孫曉江黃福德3

(上海交通大學附屬第六人民醫院神經內科，上海200233)

摘要〔〕目的探討阿爾茨海默病(AD)果蠅模型中β淀粉樣肽(Aβ)表達產生的毒性是否存在長度依賴性。方法利用GAL4/UAS系統，分別建立Aβ40、Aβ42、Aβ43轉基因AD果蠅模型，根據實驗要求將果蠅分為正常對照組、Aβ40組、 Aβ42組、Aβ43組，在整體動物水平上進行果蠅行為學實驗，分別檢測各組果蠅的爬管能力和壽命。結果在果蠅爬管能力和生存時間的測試中，與對照組相比，AD轉基因果蠅均出現日齡依賴的運動能力下降及壽命明顯縮短，且Aβ片段長度較長的Aβ42、Aβ43轉基因果蠅的運動能力下降和壽命縮短更顯著。結論Aβ的毒性作用會導致AD轉基因果蠅的運動能力下降和壽命縮短，且Aβ片段長度越長，其毒性作用越重。

關鍵詞〔〕阿爾茨海默病；轉基因果蠅；β淀粉樣蛋白

中圖分類號〔〕R741.02〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：國家自然科學基金資助項目(81371400)

通訊作者：孫曉江(1955-)，男，教授，主任醫師，博士生導師，主要從事神經系統退行性疾病、腦血管病、癲癇等研究。

1中國科學院上海生命科學院神經科學研究所

2中國科學院上海生命科學院藥物研究所

3中國科學院上海高等研究院干細胞與納米醫學中心

黃福德(1969-)，男，教授，研究員，博士生導師，主要從事神經系統退行性疾病研究。

第一作者：韓萌(1987-)，女，在讀博士，主要從事阿爾茨海默病研究。

The toxicity of β-amyloid peptide depends on its length in transgenic Drosophila model of Alzheimer′s disease

HAN Meng, MA Ping-Li, YE Chun-Yan,etal.

Department of Neurology, Shanghai Sixth People′s Hospital Affiliated to Shanghai Jiaotong University School of Medicine, Shanghai 200233, China

Abstract【】ObjectiveTo investigate the toxic effects of the β-amyloid (Aβ) peptide depends on its length in transgenic Drosophila model of Alzheimer′s disease (AD).MethodsUsing the classic GAL4/UAS system, three groups of transgenic flies expressing Aβ40(Aβ40 group), Aβ42(Aβ42 group) and Aβ43(Aβ43 group) were constructed in neurons respectively. The climbing assay and survival assay were performed on the three groups and control flies.ResultsCompared with control group, all Aβ-expressing flies showed enhanced age-dependent locomotor decline and shortened lifespan, with the order:control group>Aβ40 group>Aβ42 group>Aβ43 group.ConclusionsExpression of Aβin neurons produces toxicity in Drosophila and the toxicity is length-dependent, the longer the higher.

【Key words】Alzheimer′s disease; Transgenic Drosophila; β-amyloid peptides

阿爾茨海默病(AD)以老年斑、神經元纖維纏結、β-淀粉樣蛋白(Aβ)大量沉積以及神經元缺失為主要病理特征〔1，2〕。AD的病因迄今不明，發病機制學說也有多種，目前研究較多的是Aβ級聯學說，認為AD發病與Aβ蛋白的異常積累有密切關系〔3，4〕。現在已建立了多種轉基因AD動物模型，與其他動物模型相比，果蠅模型具有基因高度保守且便于操控、轉基因技術成熟、繁殖周期短、經濟等特別的優勢〔5〕。本研究應用GAL4/UAS系統，在果蠅逃跑通路(GF)中分別表達不同長度的Aβ，進行行為學實驗檢測各組轉基因果蠅和對照果蠅的運動能力和壽命是否受到損害，損害程度是否與Aβ的長度相關。

1材料與方法

1.1對象本研究所使用的果蠅均為黑腹果蠅，實驗動物共分為正常對照組、Aβ40組、Aβ42組、Aβ43組。在本實驗中，果蠅在標準培養基上飼養，環境溫度控制在25℃，相對濕度70%，12 h晝夜循環光照。

1.2果蠅爬管能力實驗材料美的加濕器，空調，果蠅管，改良的果蠅爬管能力檢測裝置(iRING)，索尼數碼相機，PC，果蠅爬管統計軟件。

1.3果蠅壽命測定材料果蠅培養基(蒸餾水、玉米粉、瓊脂、紅糖、酵母、丙酸、100%乙醇)，滅菌鍋，美的加濕器，空調，果蠅管，CO2麻醉盤，解剖鏡，羽毛筆，棉花，死蠅盛留器。

1.4建立轉基因AD果蠅模型合成帶有EcoRⅠ、XholⅠ酶切位點PCR引物，分別擴增編碼果蠅necrotic基因分泌信號肽段“MASKVSILLLLTVHLLAAQTFAQ”與Aβ40、Aβ42或Aβ43多肽組成的融合蛋白的重組DNA，經EcoRⅠ、XholⅠ酶切后鏈接到EcoRⅠ、XholⅠ酶切了的pUASattb質粒、果蠅胚胎顯微注射，獲取定點插入的轉基因品系。分別與p〔Gal4〕A307果蠅交配，從而獲得在果蠅巨纖維通路分別等量表達含有Necrotic分泌信號肽的Aβ40、Aβ42或Aβ43融合蛋白的轉基因AD果蠅模型。

1.5果蠅爬管能力實驗為了能夠大批量檢測果蠅的爬行能力，Gargano等〔6〕研制出“RING實驗方法” 。我們通過改良，找到了更自動、具有高度可重復性的，并且能夠定量分析的設備和方法。簡單來說，這個裝置包括一個矩形的金屬框架(32 cm×21 cm×6 cm)，框架內可垂直的放置10個圓形透明的塑料管(半徑2.1 cm，高19.0 cm)；還包括可以垂直驅動框架升降的電機，一次驅動產生4個來回的迅速升降，1次/min。每管10只果蠅，每次驅動會使果蠅全部落入管底，果蠅由于習性會本能的向上爬，測試過程由錄像機記錄，后期應用自主研制的軟件進行分析。在此次實驗中，每管果蠅測試5次，以停止敲擊后7 s為時間點統計果蠅的爬行高度，最后取平均值。統計3～5次實驗結果后比較各組間差異。

1.6果蠅壽命實驗分別將雌雄各100只果蠅分別平均分到5個果蠅培養管中，每管中20只果蠅，做上標簽待觀察。每3 d更換一次新鮮的培養基、食物及酵母量保持一致，同時記錄各組果蠅的死亡情況。

2結果

2.1AD轉基因果蠅品系的建立在本研究中，應用GAL4/UAS激活系統使不同長度的人源Aβ蛋白在果蠅特定的組織特異性表達。主要使用了p〔Gal4〕A307驅動Aβ在GF通路特異性表達。p〔Gal4〕A307的雌蠅處女蠅和攜帶不同長度的Aβ(Aβ40、Aβ42、Aβ43)轉基因的雄蠅雜交。雜交得到的子代作為實驗果蠅。將果蠅分為4組：正常對照組含有一個拷貝的p〔Gal4〕A307轉基因；Aβ40組含一個拷貝的p〔Gal4〕A307 和 pUASattb-Aβ40；Aβ42含一個拷貝的p〔Gal4〕A307 和 pUASattb-Aβ42；Aβ43含有一個拷貝的p〔Gal4〕A307 和 pUASattb-Aβ43。

2.2果蠅爬管能力實驗果蠅蛹化后7 d的攀爬能力均較好，各組間差異無統計學意義(P=1.000)。而日齡21 d的果蠅爬管能力已經出現了差異，除Aβ40組外，其余各組攀爬能力均較對照組明顯下降；且與Aβ42組比較，Aβ片段長度更長的Aβ43組果蠅的攀爬能力下降更顯著。果蠅日齡31 d時，與對照組相比，Aβ轉基因品系的果蠅爬管能力急劇下降；且各組之間比較顯示，Aβ40組果蠅的爬管能力減弱最輕，Aβ42組果蠅爬管能力下降加劇，與Aβ43組相當。見表1。

組別7d21d31d正常對照組15.20±0.08410.97±0.878.56±0.16Aβ40組14.69±1.1210.11±1.096.81±0.951)Aβ42組14.76±1.527.73±1.061)2)4.75±0.871)2)Aβ43組15.11±0.995.777±0.541)2)3)3.90±0.811)2)

與正常對照組相比：1)P<0.05;與Aβ40組相比：2)P<0.05;與Aβ42組相比：3)P<0.05

2.3果蠅壽命實驗與正常對照組(44 d)相比，各組Aβ轉基因果蠅的平均壽命明顯縮短(P<0.05)。Aβ40組(43 d)與Aβ42組(41 d)比較，Aβ42組生存時間更短(P<0.05)，而Aβ片段長度更長的Aβ43組(39 d)果蠅的壽命比Aβ40和Aβ42組壽命縮短更顯著(P<0.05)。

3討論

近年來，AD的發病機制研究已經成為熱點。人們逐漸認識到AD病人大腦皮層、海馬區有大量的淀粉樣斑塊(又稱老年斑)和神經纖維纏結是其主要病理特征。后續Glenner、Masters等〔7，8〕發現，Aβ是老年斑的主要成分。Aβ是由淀粉樣前體蛋白(APP)經過β泌肽酶和γ泌肽酶的蛋白裂解過程產生的，由于剪切位置或結構不同而得到不同長度的Aβ(如Aβ40、Aβ42、Aβ43和Aβ45等〔9，10〕)。這些Aβ單體經過結構折疊并聚集形成寡聚體。目前，Aβ蛋白級聯假說認為，在許多毒性因子中，最主要的是寡聚體〔11～13〕。而由于不同長度的Aβ具有不同的折疊和聚集特性，導致其神經毒性也是不同的。

據報道〔14〕，p〔Gal4〕A307可驅動基因在果蠅GF特異性表達；而且，在果蠅GF系統中表達野生型或者突變型Aβ42可導致神經元內Aβ42積累顯著增多、日齡依賴的突觸功能障礙、運動能力損害以及果蠅壽命明顯縮短〔15～17〕，可用于構建AD果蠅模型。本研究結果顯示，Aβ導致的果蠅運動能力損害具有日齡依賴性，且不同長度Aβ引起的損害程度是不同的。提示可能Aβ42比Aβ40聚集性強，Aβ43又比Aβ42更強，其導致的神經毒性更重。這與之前國內外其他體外研究〔18～20〕結果一致。

4參考文獻

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〔2014-03-11修回〕

(編輯徐杰)