JP5308651B2 - Drp1-deficient non-human mammal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Drp1欠損非ヒト哺乳動物及びその利用に関する。 The present invention relates to a Drp1-deficient non-human mammal and use thereof.
ミトコンドリアは、酸素呼吸を行う二重膜で囲まれたオルガネラ(細胞内小器官)であり、エネルギー産生、ひいては生命活動維持に不可欠な機能を果たしている。一方で、ミトコンドリアにおける酸素呼吸の二次産物である酸化ストレスは、生体に様々な障害を与えることが知られており、様々な病態や疾病への関与が強く示唆されている。ミトコンドリアは核ゲノムとは別に自身のDNAを持っており、その障害や変異蓄積がミトコンドリア病の原因となることや、それが老化の主要な原因である可能性も報告されている。またミトコンドリアは、シトクロムCを含む様々なアポトーシス関連タンパク質を細胞質に放出し、その膜透過性を遷移させ、細胞の死を決定するアポトーシス誘導過程において中心的役割を演じていることも知られている。 Mitochondria are organelles (intracellular organelles) surrounded by a double membrane that performs oxygen respiration, and play an indispensable function for energy production and, in turn, maintenance of life activity. On the other hand, oxidative stress, which is a secondary product of oxygen respiration in mitochondria, is known to give various damages to the living body, and its involvement in various pathological conditions and diseases is strongly suggested. Mitochondria have its own DNA separate from the nuclear genome, and it has been reported that the damage and accumulation of mutations can cause mitochondrial disease and that it can be a major cause of aging. Mitochondria is also known to play a central role in the process of inducing apoptosis by releasing various apoptosis-related proteins including cytochrome C into the cytoplasm, transitioning their membrane permeability, and determining cell death. .
ミトコンドリアは、生体内ではダイナミックにその構造を変化させながらその機能を維持しており、組織分化によってその構造を大きく変化させることが知られている。また培養細胞でも、ミトコンドリアが融合と分裂を繰り返しながらダイナミックに構造を変化させていることが知られている。しかしながら、そのようなミトコンドリアダイナミクスの生理的意義はまだ十分明らかにされていない。 It is known that mitochondria maintain their functions while dynamically changing their structure in vivo, and greatly change their structure by tissue differentiation. In cultured cells, it is also known that mitochondria dynamically change their structure while repeating fusion and division. However, the physiological significance of such mitochondrial dynamics has not been fully elucidated.
ダイナミン様GTPaseであるDrp1(Dynamin-related protein 1)は、ミトコンドリア分裂の制御に関与するタンパク質である。Drp1は主に細胞質に局在するが、ミトコンドリアの分裂点にも頻繁に観察される。Drp1の機能を抑制するとミトコンドリアの分裂が阻害され、きわめて長いミトコンドリアが形成される(非特許文献1及び2)。また、ミトコンドリアの形態が、Mitofusinタンパク質依存性の融合とDrp1依存性の分裂との間のバランスによって制御されていることも報告されている(非特許文献3)。すなわち、ミトコンドリアの融合を阻害すると分裂のみが進行して短く断片化したミトコンドリアが形成され、逆に分裂を阻害すると長くつながったミトコンドリアが形成される(非特許文献2)。しかしDrp1の変異がミトコンドリア機能に対して個体レベル又は組織レベルでどのような影響をもたらすかについてはほとんど解明されていない。
Drp1 (Dynamin-related protein 1), a dynamin-like GTPase, is a protein involved in the control of mitochondrial division. Drp1 is mainly localized in the cytoplasm, but is also frequently observed at the mitochondrial fission point. When the function of Drp1 is suppressed, mitochondrial division is inhibited and very long mitochondria are formed (Non-patent
ところで、現在では様々な疾患のモデル動物が作製されており、新薬の開発等に有効に利用されている。しかし発症原因が複雑な疾患の場合、その病態を忠実に模倣するモデル動物を作製するのはかなり困難である。多くのモデル動物では、実際の患者と比較すると示す病態がより極端又は特異であったり、ごく一部の症状を示すのみであったりする。 By the way, at present, model animals for various diseases have been produced and used effectively for the development of new drugs. However, in the case of diseases with complicated onset causes, it is quite difficult to create a model animal that faithfully mimics the pathology. In many model animals, the pathology shown is more extreme or peculiar than that of an actual patient, or only a few symptoms are shown.
例えば、各種の糖尿病のモデル動物が作製されている。糖尿病は、急増する生活習慣病の中核をなしており、健全な高齢化社会の実現のためにはその予防・治療法の開発が急務となっている。糖尿病の発症はインスリン分泌不全(インスリン不足)とインスリン抵抗性(インスリン作用障害)の2つの病態にて説明がなされる。インスリンは、血液中の糖を細胞に吸収させ、血糖値を下げる作用を持つホルモンであり、その作用が減ると、血糖値は上昇する一方、細胞中の糖は不足する。この状態が続くと、細胞は生命活動を維持できなくなり、失明や腎不全など、さまざまな臓器障害がもたらされることになる。 For example, various model animals for diabetes have been prepared. Diabetes is at the core of the rapidly increasing lifestyle-related diseases, and the development of preventive and therapeutic methods is urgently needed to realize a healthy aging society. The onset of diabetes is explained by two pathological conditions, insulin secretion failure (insulin deficiency) and insulin resistance (insulin action disorder). Insulin is a hormone that has the effect of lowering blood sugar level by absorbing sugar in the blood to the cell. When the action is reduced, the blood sugar level increases, but the sugar in the cell is insufficient. If this condition persists, the cells will not be able to sustain vital activities, resulting in various organ damage such as blindness and renal failure.
1型糖尿病は自己免疫疾患のひとつであり、膵β細胞の破壊からインスリンが枯渇するためインスリンの絶対的欠乏を特徴とする。したがって、その治療はインスリン注射による補充が不可欠である。1型糖尿病のモデルマウスは公知であり、そのモデルマウスを用いて1型糖尿病の治療に関する研究も進んでいる(非特許文献4)。
一方、糖尿病患者の大部分を占め、生活習慣病として急増している2型糖尿病は、臨床的視点からインスリン非依存型糖尿病とも呼ばれるが、膵β細胞におけるインスリン分泌不全に加え、インスリン抵抗性が増悪因子となる。インスリン分泌不全とインスリン抵抗性のどちらが強く関わっているかは個々の症例や経過によって異なっているが、欧米人に比べると、日本人ではインスリン分泌不全が原因の大きな部分を占める。正常な場合は、食事後にブドウ糖が吸収され血糖値が上がり始めるとそれに対応して瞬時にインスリンが分泌される(グルコース応答性インスリン分泌)が、インスリン分泌不全の場合には、この反応が欠如し、血糖の上昇に遅れてインスリンが分泌されるため、食後の高血糖が特徴的に現れる。さらにこの状態が長く続けば、インスリン分泌の負荷から膵β細胞の疲弊が生じ、1型糖尿病と同様にインスリン分泌の絶対的欠乏を招くことは臨床的によく経験されることである。しかしながら膵β細胞の疲弊の分子機構は明らかではない。そして、1型糖尿病とは異なり、2型糖尿病に関しては、成因が複雑であるためヒトの病態を十分に模倣するモデル動物の開発は進んでいない。2型糖尿病モデル動物の作製も報告されている(例えば、特許文献1)が、これまでに報告された2型糖尿病モデル動物は、極度の肥満、過食、過剰なレプチン濃度あるいはレプチンの欠如、高インスリン血症などの極端な症状を呈している。
On the other hand,
他方、神経変性疾患のモデル動物も新薬開発上の期待が大きい。老年痴呆、脳血管性痴呆、アルツハイマー病、筋萎縮性側索硬化症、パーキンソン病などの神経変性疾患は、それぞれ病因(血管性、代謝性、感染性など)は異なるが、共通の病態として神経細胞や神経回路網の破綻による記憶・認知障害を呈する。これまでに多くの神経変性疾患モデルマウスの報告があるが、特異な病態あるいはその一部を反映するモデルの作製にとどまっており、神経変性疾患に広く共通する病態である神経回路網の破綻を模倣するモデル動物の作製には至っていない(例えば、特許文献2)。 On the other hand, model animals for neurodegenerative diseases have great expectations for new drug development. Neurodegenerative diseases such as senile dementia, cerebrovascular dementia, Alzheimer's disease, amyotrophic lateral sclerosis, and Parkinson's disease have different etiologies (vascular, metabolic, infectious, etc.), but neuropathy is a common pathological condition. It presents memory and cognitive impairment due to cell and neural network failure. There have been many reports of neurodegenerative disease model mice so far. A model animal to be imitated has not been produced (for example, Patent Document 2).
本発明は薬剤スクリーニングに有効なモデル系を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a model system effective for drug screening.
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、組織特異的にDrp1遺伝子の機能を欠損させたノックアウト非ヒト哺乳動物が、各種疾患の良好なモデル動物となりうることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that a knockout non-human mammal deficient in the function of the Drp1 gene in a tissue-specific manner can be a good model animal for various diseases. The present invention has been completed.
すなわち、本発明は以下を包含する。
[1] Drp1遺伝子の機能が組織特異的に欠損しているノックアウト非ヒト哺乳動物。
このノックアウト非ヒト哺乳動物において、Drp1遺伝子の機能は、Drp1遺伝子又はその発現制御領域上における少なくとも一部の塩基配列の欠失、置換及び/又は挿入によって欠損していることが好ましい。
上記ノックアウト非ヒト哺乳動物は、より好ましくは、げっ歯動物である。
上記ノックアウト非ヒト哺乳動物は、Drp1遺伝子の機能が膵β細胞特異的に欠損している場合には、グルコース応答性インスリン分泌不全モデル動物として使用できる。
また上記ノックアウト非ヒト哺乳動物は、Drp1遺伝子の機能が神経細胞特異的に欠損している場合には、シナプス形成不全モデル動物として使用できる。
That is, the present invention includes the following.
[1] A knockout non-human mammal in which the function of the Drp1 gene is deficient in a tissue-specific manner.
In this knockout non-human mammal, the function of the Drp1 gene is preferably deficient by deletion, substitution and / or insertion of at least a part of the base sequence on the Drp1 gene or its expression control region.
The knockout non-human mammal is more preferably a rodent.
The knockout non-human mammal can be used as a glucose-responsive insulin secretion deficient model animal when the function of the Drp1 gene is deficient specifically in pancreatic β cells.
The knockout non-human mammal can be used as a model animal for synapse formation failure when the function of the Drp1 gene is specifically deficient in neurons.
[2] Drp1遺伝子の機能が膵β細胞特異的に欠損している上記ノックアウト非ヒト哺乳動物又はそれから得られるDrp1遺伝子の機能が欠損している膵β細胞に、被験物質を投与することを特徴とする、グルコース応答性インスリン分泌改善剤のスクリーニング方法。 [2] A test substance is administered to the knockout non-human mammal in which the function of Drp1 gene is specifically deficient in pancreatic β cells or the pancreatic β cell in which the function of Drp1 gene obtained therefrom is deficient A method for screening a glucose-responsive insulin secretion improving agent.
[3] Drp1遺伝子の機能が神経細胞特異的に欠損している上記ノックアウト非ヒト哺乳動物又はそれから得られるDrp1遺伝子の機能が欠損している神経細胞に、被験物質を投与することを特徴とする、シナプス形成促進剤のスクリーニング方法。 [3] A test substance is administered to the knockout non-human mammal deficient in nerve cell-specific functions of Drp1 gene or a nerve cell deficient in the function of Drp1 gene obtained therefrom. And screening method for synapse formation promoter.
本発明に係るDrp1遺伝子の機能が組織特異的に欠損しているノックアウト非ヒト哺乳動物は、ミトコンドリア分裂不全と関連する各種の疾患状態、例えばグルコース応答性インスリン分泌不全やシナプス形成不全の表現型を示す。従ってこのノックアウト非ヒト哺乳動物又はそれから得られるDrp1遺伝子の機能が欠損している細胞を用いた薬剤スクリーニング方法は、これまでミトコンドリア分裂不全との関連が知られていなかったグルコース応答性インスリン分泌不全を伴う2型糖尿病やその合併症、あるいはシナプス形成不全を伴う神経変性疾患の改善に有効な薬剤を探索する上で有用である。
The knockout non-human mammal deficient in tissue-specific Drp1 gene function according to the present invention has various disease states associated with mitochondrial dysfunction, such as glucose-responsive insulin secretion dysfunction and synaptogenesis phenotype. Show. Therefore, the drug screening method using this knockout non-human mammal or a cell deficient in the function of Drp1 gene obtained from it has failed to detect glucose-responsive insulin secretion failure, which has not been previously known to be associated with mitochondrial dysfunction. It is useful in searching for an effective drug for the improvement of the accompanying
以下、本発明を詳細に説明する。
1.Drp1遺伝子欠損(ノックアウト)非ヒト哺乳動物
本発明は、染色体上のDrp1遺伝子の機能が組織特異的に欠損しているノックアウト非ヒト哺乳動物に関する。
本発明に係る「Drp1遺伝子」は、哺乳動物のダイナミン様GTPaseであるDrp1(Dynamin-related protein 1)タンパク質をコードする遺伝子を意味する。Drp1は、主に細胞質に局在するタンパク質として知られ、哺乳動物においてDynamin-1 like (DNM1L)、Dnm1、Dlp1、DVLP、dympleなどの別名でも呼ばれている。Drp1の酵母ホモログDnm1(Dnm1p)についてはかなり研究が進んでいる。なおDrp1の線虫ホモログはDRP-1と呼ばれ、植物では種によって異なるが、シロイヌナズナのDrp1ホモログはADL2bなどと呼ばれている。本発明において言及する「Drp1遺伝子」には、Drp1タンパク質をコードするゲノムDNAの他、そのmRNA、cDNAも包含しうる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
1. Drp1 gene deficient (knockout) non-human mammal The present invention relates to a knockout non-human mammal in which the function of the Drp1 gene on the chromosome is tissue-specifically deficient.
The “Drp1 gene” according to the present invention means a gene encoding Drp1 (Dynamin-related protein 1) protein which is a dynamin-like GTPase of mammals. Drp1 is known as a protein mainly localized in the cytoplasm, and is also called by other names such as Dynamin-1 like (DNM1L), Dnm1, Dlp1, DVLP, and dymple in mammals. Drp1's yeast homologue, Dnm1 (Dnm1p), is undergoing considerable research. The nematode homologue of Drp1 is called DRP-1, and it varies depending on the species in plants, but the Drp1 homologue of Arabidopsis is called ADL2b. The “Drp1 gene” referred to in the present invention may include the mRNA and cDNA thereof in addition to the genomic DNA encoding the Drp1 protein.
Drp1遺伝子の塩基配列及びアミノ酸配列は、ショウジョウバエ、酵母、線虫、シロイヌナズナ、マウス、ラット、ヒト等の様々な動物において公知である。Drp1遺伝子の塩基配列(cDNA配列やゲノム配列)は、例えばDDBJ、EMBL、GenBank等の公共データベース(国際塩基配列データベースを含む)や各種の商用データベースを通じて容易に入手することができる。例えばDrp1遺伝子の配列としては、マウス:GenBankアクセッション番号NM_152816, NM_001025947、ヒト:GenBankアクセッション番号NM_012062, NM_012063, NM_005690、ラット;NM_053655等が報告されている。公共データベース又は商用データベースにDrp1遺伝子の配列が登録されていない非ヒト哺乳動物については、既知のDrp1遺伝子との相同性に基づいて、その非ヒト哺乳動物の内在性Drp1遺伝子をクローニングし、塩基配列を決定することができる。例えば、当該動物のゲノムDNAライブラリー又はcDNAライブラリーを作製し、遺伝的に近い種に由来する既知のDrp1遺伝子又はその一部、あるいはDrp1遺伝子中の生物種間で高度に保存された領域をプローブとして用いて、該ライブラリーをスクリーニングすることにより、目的の動物のDrp1遺伝子を同定し、配列を決定することができる。 The nucleotide sequence and amino acid sequence of the Drp1 gene are known in various animals such as Drosophila, yeast, nematode, Arabidopsis thaliana, mouse, rat, and human. The base sequence (cDNA sequence or genomic sequence) of the Drp1 gene can be easily obtained through public databases (including international base sequence databases) such as DDBJ, EMBL, GenBank, and various commercial databases. For example, as the sequence of the Drp1 gene, mouse: GenBank accession numbers NM_152816, NM_001025947, human: GenBank accession numbers NM_012062, NM_012063, NM_005690, rat; NM_053655 and the like have been reported. For non-human mammals whose Drp1 gene sequence is not registered in public or commercial databases, the base sequence of the non-human mammal's endogenous Drp1 gene is cloned based on homology with the known Drp1 gene. Can be determined. For example, a genomic DNA library or cDNA library of the animal is prepared, and a known Drp1 gene or a part thereof derived from a genetically close species, or a highly conserved region between species in the Drp1 gene By screening the library using it as a probe, the Drp1 gene of the target animal can be identified and sequenced.
例えばマウスDrp1遺伝子は、マウス第16染色体上にマッピングされている。マウスDrp1遺伝子の詳細な遺伝子情報は、例えばNCBI(National Center for Biotechnology Information; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/からアクセス可能)のデータベースからGene ID: 74006に基づいて、あるいはMGI(Mouse Genome Informatics; http://www.informatics.jax.org/からアクセス可能)のデータベースから「dynamin-1 like」の名称に基づいて、入手できる。 For example, the mouse Drp1 gene is mapped on mouse chromosome 16. Detailed gene information of the mouse Drp1 gene is based on Gene ID: 74006 from the database of NCBI (accessible from National Center for Biotechnology Information; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) or MGI It can be obtained from the database of (Mouse Genome Informatics; accessible from http://www.informatics.jax.org/) based on the name “dynamin-1 like”.
本発明において、「Drp1遺伝子の機能が組織特異的に欠損している」とは、特定の組織特異的に、染色体上のDrp1遺伝子が正常に発現されない状態となるように遺伝的に改変されていることを意味する。Drp1遺伝子産物が全く発現されない場合だけでなく、当該遺伝子産物が発現されてもそれが正常な機能を有しないか又は十分な発現量を達成できなければ、「Drp1遺伝子の機能が欠損している」ことになる。このようにDrp1遺伝子が正常に発現されない状態は、ゲノム上のDrp1遺伝子の少なくとも一部の塩基配列の改変、又は該Drp1遺伝子の転写調節領域やプロモーター領域等の発現制御領域上の少なくとも一部の塩基配列の改変、例えば欠失、置換、及び/又は挿入(すなわち他の塩基配列の挿入)等によって生じさせることができる。Drp1遺伝子の機能が欠損している動物の典型例は、Drp1遺伝子のコード(エキソン)領域の全体又は一部が欠損している動物である。 In the present invention, “the function of the Drp1 gene is tissue-specifically deficient” means that the Drp1 gene on the chromosome is genetically modified so that it is not normally expressed in a specific tissue. Means that Not only when the Drp1 gene product is not expressed at all, but also when the gene product is expressed, if it does not have a normal function or does not achieve a sufficient expression level, “Drp1 gene function is deficient. It will be. The state in which the Drp1 gene is not normally expressed in this way is the modification of at least part of the base sequence of the Drp1 gene on the genome, or at least part of the expression control region such as the transcriptional regulatory region or promoter region of the Drp1 gene. It can be caused by modification of the base sequence, for example, deletion, substitution, and / or insertion (ie, insertion of another base sequence). A typical example of an animal deficient in the function of the Drp1 gene is an animal deficient in all or part of the coding (exon) region of the Drp1 gene.
なお、前記欠失、置換、又は挿入を行う部位や、欠失、置換、又は挿入される塩基配列は、Drp1遺伝子の正常な機能を欠損させる限り、特に限定されない。しかしながら、Drp1遺伝子のコード領域の少なくとも一部(例えば1つ以上のエキソンを含む領域)を欠失させるような変異は、より確実にDrp1遺伝子の機能を欠損させることができる。通常は、Drp1遺伝子の少なくとも1つのエキソンを含む領域、例えばエキソン2を含む領域を欠失させればよい。このDrp1遺伝子の機能を欠損させる手法については次項で説明する。
The site where the deletion, substitution or insertion is performed and the nucleotide sequence to be deleted, substituted or inserted are not particularly limited as long as the normal function of the Drp1 gene is lost. However, a mutation that deletes at least a part of the coding region of the Drp1 gene (for example, a region containing one or more exons) can more reliably cause the function of the Drp1 gene to be lost. Usually, a region containing at least one exon of the Drp1 gene, for example, a
本発明において「組織特異的に欠損している」とは、特定の組織のみで、又は主としてその特定の組織において、特異的に当該欠損を生じていることを意味する。例えば、膵β細胞特異的欠損に加えて視床下部での欠損も副次的に認められる場合も、「膵β細胞特異的に欠損している」に含まれる。なお本発明において「組織特異的」の用語『組織』には、組織学的分類に基づく組織(例えば、結合組織、上皮組織、神経組織、筋肉組織など)だけでなく、器官(臓器)、細胞種、細胞集団等の任意の生体中の部分をも含む。本発明のDrp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物において、Drp1遺伝子の機能を特異的に欠損させるそのような組織(例えば、器官や細胞)の種類は特に限定されず、生体内の任意の器官や細胞種などであってよいが、好ましい例としては例えば膵β細胞や神経細胞が挙げられる。Drp1遺伝子の機能が組織特異的に欠損している非ヒト哺乳動物は各種疾患のモデル動物として有用であり、例えばDrp1遺伝子の機能が膵β細胞又は神経細胞特異的に欠損している非ヒト哺乳動物は、それぞれグルコース応答性インスリン分泌不全、シナプス形成不全の疾患モデルとして、とりわけ有用である。 In the present invention, “tissue-specific deficiency” means that the deficiency is specifically caused only in a specific tissue or mainly in the specific tissue. For example, in addition to a pancreatic β-cell specific defect, a case where a defect in the hypothalamus is also recognized as secondary is included in “a pancreatic β-cell specific defect”. In the present invention, the term “tissue-specific” “tissue” includes not only tissues based on histological classification (eg, connective tissue, epithelial tissue, nerve tissue, muscle tissue, etc.) but also organs (organs) and cells. It also includes any in vivo portion such as a species, cell population, etc. In the Drp1 gene-deficient non-human mammal of the present invention, the type of such tissue (eg, organ or cell) that specifically lacks the function of Drp1 gene is not particularly limited, and any organ or cell type in the living body Preferred examples include pancreatic β cells and nerve cells. Non-human mammals whose Drp1 gene function is tissue-specifically deficient are useful as model animals for various diseases, for example, non-human mammals whose Drp1 gene function is specifically deficient in pancreatic β cells or neurons The animals are particularly useful as disease models of glucose-responsive insulin secretion failure and synapse formation failure, respectively.
本発明のDrp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物は、Drp1遺伝子の機能が、細胞中の一方の染色体上のアレルについて欠損しているもの(ヘテロ接合体)であっても、両方の染色体上のアレルについて欠損しているもの(ホモ接合体)であってもよく、さらにそれが細胞により異なっていてもよい。 The Drp1 gene-deficient non-human mammal of the present invention is able to detect alleles on both chromosomes even if the function of the Drp1 gene is deficient for alleles on one chromosome in the cell (heterozygote). It may be deficient (homozygote), and it may vary from cell to cell.
本発明において「ノックアウト非ヒト哺乳動物」とは、遺伝的改変により染色体上の当該遺伝子の機能が欠損した組織(例えば、特定の器官又は細胞種)を少なくとも一つ有する非ヒト哺乳動物を言う。本発明にかかる「非ヒト哺乳動物」は、ヒト以外の哺乳動物であれば特に限定されないが、マウス、ラット、モルモット、ウサギ等のげっ歯動物が好ましく、特にES細胞が確立し、遺伝子組換えが容易に実施できるマウスは最も好ましい。 In the present invention, the “knockout non-human mammal” refers to a non-human mammal having at least one tissue (for example, a specific organ or cell type) that lacks the function of the gene on the chromosome due to genetic modification. The “non-human mammal” according to the present invention is not particularly limited as long as it is a mammal other than a human, but is preferably a rodent such as a mouse, a rat, a guinea pig, or a rabbit. Most preferred is a mouse that can be easily performed.
2.Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物の作製方法
本発明のDrp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物は、公知の遺伝子工学的手法により、Drp1遺伝子の機能を標的組織(例えば、標的細胞種)において特異的に欠損させることによって、作製することができる。そのような組織特異的な遺伝子改変手法としては、限定するものではないが、通常、Cre-loxPシステム(例えばGu, H., et al., Science, (1994) 265: 103-106、Kuhn R. et al., Science, 269, 1427-1429, 1995)若しくはFLP-frtシステム(例えばDymecki, S.M., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, (1996) 93: p.6191-6196、Rodriguez, C.I., et al., Nat. Genet., (2000) 25:139-140)又はそれらの組み合わせ(例えばMeyers, E.N. et al., Nat. Genet., (1998) 18:136-141)等のコンディショナルターゲッティング法を好適に使用することができる。コンディショナルターゲッティング法に関する実験の詳細については、村松ら編、「実験医学別冊 改訂第4版 新 遺伝子工学ハンドブック」(羊土社)の第7章、特に274〜277頁を参照することができる。コンディショナルターゲッティング法で使用する、標的遺伝子の組織特異的欠損を生じるコンディショナルノックアウト非ヒト動物の作製も、「実験医学別冊 改訂第4版 新 遺伝子工学ハンドブック」(羊土社)等の一般的な実験書に従って常法により行うことができるが、そのようなコンディショナルノックアウト非ヒト動物はすでに現在までに多数の種類の作製が報告がされており、The Jackson laboratory等から購入することもできる。既存の標的遺伝子の組織特異的欠損を生じるコンディショナルノックアウト非ヒト動物についての詳細情報は、例えばhttp://www.mshri.on.ca/nagy/やhttp://www.jax.org/などから入手することもできる。
2. Method for producing Drp1 gene-deficient non-human mammal The Drp1 gene-deficient non-human mammal of the present invention specifically lacks the function of Drp1 gene in a target tissue (eg, target cell type) by a known genetic engineering technique. Can be produced. Such tissue-specific gene modification techniques include, but are not limited to, the Cre-loxP system (eg Gu, H., et al., Science, (1994) 265: 103-106, Kuhn R et al., Science, 269, 1427-1429, 1995) or FLP-frt systems (eg Dymecki, SM, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, (1996) 93: p.6191-6196, Rodriguez, CI , et al., Nat. Genet., (2000) 25: 139-140) or combinations thereof (eg Meyers, EN et al., Nat. Genet., (1998) 18: 136-141) A targeting method can be preferably used. For details of the experiment on the conditional targeting method, refer to
loxP(locus of X-ing-over)配列は34塩基対からなるDNA配列(5'-ATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTAT-3')でありCre(Causes recombination)組換え酵素の認識配列である。遺伝子上の2つのloxP配列はCreタンパク質の存在下で特異的組換えを起こし、loxP配列の間に挟まれた領域を欠失させるか又はその逆位を引き起こす。欠失させたいゲノム領域を同方向のloxP配列で挟んだものに置換し、さらにその細胞内で細胞(組織)特異的プロモーターの制御下にCre遺伝子を配置すれば、そのプロモーターが発現する細胞(組織)のみでCreタンパク質が発現することにより、loxP配列で挟まれたゲノム領域を欠失させることができる。 The loxP (locus of X-ing-over) sequence is a DNA sequence (5'-ATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTAT-3 ') consisting of 34 base pairs and a recognition sequence for Cre (Causes recombination) recombination enzyme. The two loxP sequences on the gene cause specific recombination in the presence of the Cre protein, deleting the region flanked by loxP sequences or causing its inversion. If you replace the genomic region you want to delete with the loxP sequence in the same direction, and place the Cre gene under the control of a cell (tissue) -specific promoter in the cell, the cell that expresses the promoter ( By expressing the Cre protein only in the tissue), the genomic region sandwiched between the loxP sequences can be deleted.
以下ではこのCre-loxPシステムを例にとって説明する。 In the following, this Cre-loxP system will be described as an example.
1)ターゲッティングベクターの構築
まず、Drp1遺伝子の機能を欠損させるために用いるターゲッティングベクターを構築する。ターゲッティングベクターの構築に先立って、一般的には、使用する動物のゲノムDNAライブラリーを入手又は調製する。このゲノムDNAライブラリーは、多型等による組換え頻度の低下が起こらないよう、使用するES細胞が由来する動物系統から作製したゲノムDNAライブラリーを用いることが好ましい。用意したゲノムライブラリーについて、Drp1 cDNA又はその部分配列をプローブとしてスクリーニングを行って、Drp1遺伝子のゲノムDNA配列を含むクローンを得る。さらに、得られたゲノムDNAクローンについて、配列決定、サザンブロット解析、制限酵素消化等を利用して、各エキソンの位置と制限酵素部位を示した制限酵素地図を作成する。制限酵素地図等の情報が既に公表されているゲノムDNAクローンを使用する場合には、その公知の情報を直接利用してもよい。そしてこの制限酵素地図をもとに、Drp1遺伝子に対し欠失させたい領域を決定し、ターゲッティングベクターを設計する。欠失させる領域は、限定するものではないが、少なくとも1つのエキソンを含有する領域が好ましい。一般的には、その欠失領域の5'側に隣接するゲノム領域、及び3'側に隣接するゲノム領域を相同領域として選択し、それらの領域に相当するDNA断片を調製する。次いで、適当なベクター又は遺伝子カセット中に、欠失させる領域の5'側に隣接するゲノム領域、loxP配列、欠失させる領域、loxP配列、マーカー遺伝子又はレポーター遺伝子(プロモーター等を含んでもよい)、loxP配列、欠失させる領域の3'側に隣接するゲノム領域を5'→3'の方向にこの順で挿入することにより、ターゲッティングベクターを作製することができる。loxP配列はいずれも同方向に配置する必要がある。
1) Construction of targeting vector First, a targeting vector used for deleting the function of the Drp1 gene is constructed. Prior to the construction of the targeting vector, a genomic DNA library of the animal to be used is generally obtained or prepared. As this genomic DNA library, it is preferable to use a genomic DNA library prepared from an animal strain from which the ES cells to be used are derived so that the recombination frequency does not decrease due to polymorphism or the like. The prepared genomic library is screened using Drp1 cDNA or a partial sequence thereof as a probe to obtain a clone containing the genomic DNA sequence of Drp1 gene. Further, a restriction enzyme map showing the position of each exon and the restriction enzyme site is prepared for the obtained genomic DNA clone using sequencing, Southern blot analysis, restriction enzyme digestion and the like. When using genomic DNA clones for which information such as restriction enzyme maps have already been published, the known information may be used directly. Based on this restriction enzyme map, the region to be deleted from the Drp1 gene is determined, and a targeting vector is designed. The region to be deleted is not limited, but a region containing at least one exon is preferable. In general, a genomic region adjacent to the 5 ′ side of the deletion region and a genomic region adjacent to the 3 ′ side are selected as homologous regions, and DNA fragments corresponding to these regions are prepared. Then, in an appropriate vector or gene cassette, a genomic region adjacent to the 5 ′ side of the region to be deleted, a loxP sequence, a region to be deleted, a loxP sequence, a marker gene or a reporter gene (may include a promoter or the like), By inserting the loxP sequence and the genomic region adjacent to the 3 ′ side of the region to be deleted in this order in the 5 ′ → 3 ′ direction, a targeting vector can be prepared. All loxP sequences must be placed in the same direction.
マーカー遺伝子としては、例えば、ネオマイシン耐性遺伝子(pGKneo、pMC1neo等の遺伝子カセット)、ハイグロマイシンBホスホトランスフェラーゼ遺伝子等の陽性選択マーカー、単純ヘルペスウイルスチミジンキナーゼ遺伝子(HSV-TK)、ジフテリア毒素Aフラグメント(DT-A)等の陰性選択マーカー遺伝子が挙げられるが、これらに限定されない。またレポーター遺伝子としては、緑色蛍光遺伝子(GFP)、β-ガラクトシダーゼ遺伝子(LacZ)、ルシフェラーゼ遺伝子(luc)などが挙げられる。ベクターの構築は、当業者に周知のPCR法やライゲーション法などの遺伝子工学的技術を用いて行うことができる。 Examples of marker genes include neomycin resistance genes (gene cassettes such as pGKneo and pMC1neo), positive selection markers such as hygromycin B phosphotransferase gene, herpes simplex virus thymidine kinase gene (HSV-TK), diphtheria toxin A fragment (DT -A) and other negative selectable marker genes can be mentioned, but not limited thereto. Examples of reporter genes include green fluorescent gene (GFP), β-galactosidase gene (LacZ), luciferase gene (luc), and the like. The vector can be constructed using genetic engineering techniques such as PCR and ligation known to those skilled in the art.
2)ES細胞へのターゲッティングベクターの導入
次に、構築されたターゲッティングベクターを胚性幹細胞(ES細胞)等の全能性を有する細胞に導入する。ES細胞は、マウス、ハムスター、ブタ等では細胞株が樹立されており、特にマウスでは、129系マウス由来のK14株、E14株、D3株、AB-1株、J1株や、R1株、TT2株等、各種細胞株が入手可能である。また、マウスではES細胞に代えて胚性ガン腫細胞(EC細胞)を利用することもできる。
2) Introduction of targeting vector into ES cell Next, the constructed targeting vector is introduced into a totipotent cell such as embryonic stem cell (ES cell). ES cells have been established in mice, hamsters, pigs, etc., especially in mice, K14 strain, E14 strain, D3 strain, AB-1 strain, J1 strain, R1 strain, TT2 derived from 129 mice Various cell lines, such as strains, are available. In mice, embryonic carcinoma cells (EC cells) can be used instead of ES cells.
ES細胞は、ターゲッティングベクターの導入に先立って、適当な培地で培養しておく。例えば、マウスES細胞であれば、マウス繊維芽細胞等をフィーダー細胞として、これにES細胞用の液体培地(例えば、GIBCO製)を加えて共培養してもよい。 Prior to the introduction of the targeting vector, ES cells are cultured in an appropriate medium. For example, in the case of mouse ES cells, mouse fibroblasts or the like may be used as feeder cells, and a liquid medium for ES cells (for example, manufactured by GIBCO) may be added thereto for co-culture.
ES細胞へのターゲッティングベクターの導入は、エレクトロポレーション、マイクロインジェクション、リン酸カルシウム法等、公知の遺伝子導入法により実施することができる。ターゲッティングベクターが導入されたES細胞は、ベクター中に挿入されたマーカー遺伝子やレポーター遺伝子を発現させることにより容易に選択することができる。例えば、ネオマイシン耐性遺伝子をマーカー遺伝子として導入した細胞であれば、G418を加えたES細胞用培地で培養することにより、一次選択を行うことができる。 Introduction of a targeting vector into ES cells can be carried out by a known gene introduction method such as electroporation, microinjection, calcium phosphate method and the like. ES cells into which a targeting vector has been introduced can be easily selected by expressing a marker gene or reporter gene inserted into the vector. For example, in the case of a cell into which a neomycin resistance gene has been introduced as a marker gene, primary selection can be performed by culturing in a medium for ES cells supplemented with G418.
ターゲッティングベクターが導入されたES細胞では、相同組換えによって、染色体上のDrp1遺伝子の一部が該ベクターで置換され、内因性のDrp1遺伝子又はその調節領域内の欠失させる部位の両側にloxP配列が導入され、さらにその下流に、好ましくはマーカー遺伝子又はレポーター遺伝子とloxP配列が導入される。この時点では、Drp1遺伝子に欠失は生じていない。所望の相同組換えがなされたか否かは、サザンブロッティングやPCR法等を利用した遺伝子型解析によって判定できる。PCR法による遺伝子型解析は、それぞれ野性型と変異型Drp1遺伝子の特異的増幅産物を検出することにより実施できる。こうしてターゲッティングベクターが適切に導入されたES細胞は、さらに次の段階に備えて培養しておく。 In ES cells into which a targeting vector has been introduced, a portion of the Drp1 gene on the chromosome is replaced by the vector by homologous recombination, and the loxP sequence is located on both sides of the endogenous Drp1 gene or the deletion site in its regulatory region. And a marker gene or reporter gene and a loxP sequence are preferably introduced downstream thereof. At this point, no deletion has occurred in the Drpl gene. Whether or not the desired homologous recombination has been achieved can be determined by genotype analysis using Southern blotting, PCR method or the like. Genotype analysis by PCR can be carried out by detecting specific amplification products of wild type and mutant Drp1 gene, respectively. The ES cells into which the targeting vector has been appropriately introduced in this way are further cultured for the next stage.
3)キメラ動物の作製
ターゲッティングベクターが導入されたES細胞(組換えES細胞)は、ES細胞が由来する系統とは外見上明らかな相違を有する別な系統由来の初期胚に導入し、キメラ動物として発生させることが好ましい。例えば、マウスであれば、アルビノ毛色を有する129系由来のES細胞に対しては、黒色の毛色を有し、マーカーとして利用できる各種遺伝子座が129系マウスとは異なっているC57BL/6マウス等の初期胚を用いることが望ましい。これにより、キメラマウスはその毛色によって、キメラ率を判断することができる。
3) Production of chimeric animals ES cells (recombinant ES cells) into which a targeting vector has been introduced are introduced into early embryos derived from another strain that is apparently different from the strain from which the ES cells are derived. It is preferable to generate as. For example, in the case of a mouse, a C57BL / 6 mouse having a black hair color and various gene loci that can be used as markers are different from those of a 129 mouse for ES cells derived from the 129 line having an albino hair color, etc. It is desirable to use early embryos. Thereby, the chimera mouse can judge the chimera rate from the hair color.
ES細胞の初期胚への導入は、アグリゲーション法(Andra, N. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90, 8424-8428, 1993, Stephen, A.W. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90, 4582-4585, 1993)、マイクロインジェクション法(Hogan, B. et al. ”Manipulating the Mouse Embryo” Cold Spring Habor Laboratory Press, 1988)などにより行うことができる。 ES cells are introduced into early embryos by the aggregation method (Andra, N. et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90, 8424-8428, 1993, Stephen, AW et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 90, 4582-4585, 1993), microinjection method (Hogan, B. et al. “Manipulating the Mouse Embryo” Cold Spring Habor Laboratory Press, 1988).
アグリゲーション法では、透明帯を除去した2個の8細胞期胚又は桑実胚の間に、ES細胞塊を挟み込むように挿入して培養し、凝集させてキメラ胚を得る。このキメラ胚を、仮親(偽妊娠動物)の子宮に移植し、発生させれば、キメラ動物を得ることができる。 In the aggregation method, an ES cell mass is inserted and cultured between two 8-cell embryos or morulas from which the zona pellucida has been removed, and a chimeric embryo is obtained by aggregation. If this chimeric embryo is transplanted into the uterus of a foster parent (pseudopregnant animal) and generated, a chimeric animal can be obtained.
マイクロインジェクション法は、ES細胞を胚盤胞(ブラストシスト)に直接注入する方法である。すなわち、動物より採取した胚盤胞に、マイクロマニピュレーター等を用いて組換えES細胞を顕微鏡下で直接注入してキメラ胚を作製する。このキメラ胚を、仮親(偽妊娠動物)の子宮に移植し、発生させれば、所望のキメラ動物を得ることができる。 The microinjection method is a method in which ES cells are directly injected into a blastocyst. That is, a recombinant embryonic stem cell is directly injected under a microscope into a blastocyst collected from an animal using a micromanipulator or the like to produce a chimeric embryo. If this chimeric embryo is transplanted into the uterus of a foster parent (pseudopregnant animal) and generated, a desired chimeric animal can be obtained.
4)Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物の作製
仮親から得られたキメラ動物を、さらに野性型動物(マウスであれば例えばC57BL/6マウス等)に戻し交配する。得られる動物の中に、ターゲッティングベクターとの相同組換えにより、loxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をヘテロ接合で有する個体がいるはずである。各個体の遺伝子型は、毛色等の外見上の特徴で一次判定できるほか、前述したサザンブロッティングやPCR法を利用した遺伝子型解析によって決定することができる。次に、こうして得られたヘテロ接合性組換え非ヒト哺乳動物同士を交配して、loxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をホモ接合で有する動物を得ることができる。
4) Preparation of Drp1 gene-deficient non-human mammal A chimeric animal obtained from a foster parent is further backcrossed to a wild-type animal (eg, a C57BL / 6 mouse if it is a mouse). Among the obtained animals, there should be an individual heterozygous for the Drp1 gene into which the loxP sequence has been inserted by homologous recombination with the targeting vector. The genotype of each individual can be determined primarily by appearance characteristics such as hair color, and can be determined by genotype analysis using the Southern blotting or PCR method described above. Next, the heterozygous recombinant non-human mammals thus obtained can be mated to obtain an animal having a homozygous Drp1 gene into which the loxP sequence has been inserted.
組織特異的にDrp1遺伝子を破壊した非ヒト哺乳動物(例えば、マウス)を得るため、上記で得られた、loxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をホモ接合で有する動物に、組織特異的にCreタンパク質を発現するトランスジェニック非ヒト動物を交配することにより、loxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をヘテロ接合で有しかつCreトランスジーン(Creタンパク質をコードする外来遺伝子)を有するトランスジェニック非ヒト動物を得ることができる。さらにこの動物にloxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をホモ接合で有する動物を交配して得られる仔動物の約半分は、Drp1遺伝子が目的の組織特異的に破壊されたコンディショナルノックアウト動物である。こうして作製した動物が、本発明の組織特異的なコンディショナルDrp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物である。 In order to obtain a non-human mammal (for example, mouse) in which the Drp1 gene has been disrupted in a tissue-specific manner, an animal having the Drp1 gene into which the loxP sequence has been inserted homozygously obtained in the above-described manner is used in a tissue-specific Cre protein. Transgenic non-human animals that have the Drp1 gene inserted with the loxP sequence heterozygously and have the Cre transgene (a foreign gene encoding Cre protein) are obtained by mating be able to. Furthermore, about half of the pups obtained by mating an animal having a homozygous Drp1 gene having the loxP sequence inserted into this animal is a conditional knockout animal in which the Drp1 gene is specifically disrupted in the target tissue. The animal thus prepared is the tissue-specific conditional Drp1 gene-deficient non-human mammal of the present invention.
3.Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物のモデル動物としての使用
本発明のDrp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物においては、Drp1遺伝子の機能を欠損させた組織特異的に、その細胞内のミトコンドリア分裂が阻害され、その形態に特有の変化が生じる。このような組織特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物は、ミトコンドリアの分裂阻害と関連した様々な疾患の良好なモデル動物として使用することができる。以下に、膵β細胞又は神経細胞特異的にDrp1遺伝子を欠損した非ヒト哺乳動物について例示する。
3. Use of Drp1 gene-deficient non-human mammal as a model animal In the Drp1 gene-deficient non-human mammal of the present invention, the intracellular mitochondrial division is inhibited in a tissue-specific manner in which the function of Drp1 gene is deficient. Changes specific to the shape occur. Such a tissue-specific Drp1 gene-deficient non-human mammal can be used as a good model animal for various diseases associated with inhibition of mitochondrial division. Examples of non-human mammals deficient in the Drp1 gene specifically for pancreatic β cells or nerve cells are shown below.
1)グルコース応答性インスリン分泌不全モデル動物
膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物の膵β細胞においては、ミトコンドリア分裂が抑制され、ミトコンドリアが長くなり、さらにミトコンドリアが細胞内で核周辺に集積する傾向が観察される。この膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物では、膵臓のランゲルハンス島は正常に構築され、膵β細胞でのインスリン合成も行われるが、2型糖尿病に特徴的な病態であるグルコース応答性インスリン分泌不全を呈し、耐糖能が急激に低下する。この膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物は、グルコース応答性インスリン分泌不全の典型的症状として食後(糖負荷後)高血糖を示す。一方、膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物では、好ましくは、空腹時血糖は野性型と比較しても上昇せず、体重の顕著な増加も認めない。
1) Pancreatic β cells of a non-human mammal deficient in the pancreatic β-cell-specific Drp1 gene deficient in glucose-responsive insulin secretion model animals , mitochondrial division is suppressed, mitochondria are lengthened, and mitochondria accumulate around the nucleus in the cell The tendency to do is observed. In this non-human mammal deficient in the pancreatic β cell-specific Drp1 gene, the pancreatic islets of Langerhans are normally constructed and insulin synthesis is also performed in pancreatic β cells, but glucose responsiveness is a characteristic pathology of
耐糖能及びインスリン分泌能は、例えば以下のようにして測定することができる。まず、被験動物(例えば8週齢のマウス)を絶食(例えば16時間)させた後、静脈血を採血し(マウスやラットであれば尾静脈から)、その血糖値及び血清インスリン値を予め測定しておく。続いて、グルコース(例えば、2g/kg体重)を絶食させた被験動物の腹腔内に投与し、グルコース投与後所定の時点で(好ましくは経時的に)採血し、血糖値及び血中インスリン値を測定する。採血は任意の時点で行えばよいが、例えばグルコース投与のおよそ0分後〜3時間後までの間に最初は15分間隔、後半は30分間隔で行うことができる。対照被験動物(野性型)において血糖値低下が始まる時点(マウスでは約30分後)以降も血糖値が急激に上昇し、さらにその後、例えばマウスでは120分経過後でもなお高い血糖値が維持される場合には、血糖処理能力が低下しているものと判断され、すなわち耐糖能が低下していると判断される。そのような糖負荷後高血糖に加えて、マウスでは約15分後付近での血中インスリン値(初期分泌量)が顕著に低い場合には、その被験動物は、グルコース応答性インスリン分泌不全を示すものと判断される。 Glucose tolerance and insulin secretion ability can be measured, for example, as follows. First, after fasting (for example, 16 hours) a test animal (for example, an 8-week-old mouse), venous blood is collected (from the tail vein for mice and rats), and its blood glucose level and serum insulin level are measured in advance. Keep it. Subsequently, glucose (for example, 2 g / kg body weight) is administered into the abdominal cavity of a test animal fasted, blood is collected at a predetermined time (preferably over time) after glucose administration, and blood glucose level and blood insulin level are measured. taking measurement. Blood collection may be performed at an arbitrary time point, and for example, it may be performed at intervals of 15 minutes at the beginning and at intervals of 30 minutes in the latter half from about 0 minutes to 3 hours after glucose administration. In the control test animals (wild type), the blood glucose level rises rapidly after the time when blood glucose level begins to drop (after about 30 minutes in the mouse), and then the high blood glucose level is maintained even after 120 minutes in the mouse, for example. If it is determined that the blood glucose processing capacity is reduced, it is determined that the glucose tolerance is reduced. In addition to such post-glucose hyperglycemia, if the blood insulin level (initial secretory volume) is significantly low in about 15 minutes in the mouse, the test animal has a glucose-responsive insulin secretion deficiency. It is judged to show.
さらに、膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物については、膵臓切片標本を作製し、例えば抗インスリン抗体を用いて免疫組織染色し、また膵臓ランゲルハンス島の面積を測定して、対照マウス(野生型表現型)の膵臓切片と比較することにより、被験動物の膵臓におけるインスリン合成が正常か否かを調べることができる。 Furthermore, for pancreatic β cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammals, pancreas slices were prepared, immunohistologically stained using, for example, an anti-insulin antibody, and the area of pancreatic islets of Langerhans was measured to obtain control mice ( It is possible to examine whether or not insulin synthesis in the pancreas of the test animal is normal by comparing with a pancreatic section of (wild-type phenotype).
膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物は、グルコース応答性インスリン分泌不全のモデル動物として用いることができるが、2型糖尿病の病態を非常に良く模倣していることから、特に2型糖尿病のモデル動物として利用することができる。さらに膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物は、グルコース応答性インスリン分泌不全を伴う2型糖尿病合併症のモデル動物としても利用することができる。
Pancreatic β-cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammals can be used as model animals for glucose-responsive insulin secretion failure, but they mimic the pathology of
従って、本発明の膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物、又は該動物から得られるDrp1遺伝子の機能が欠損した膵β細胞は、それぞれグルコース応答性インスリン分泌不全モデル動物又はモデル細胞として、グルコース応答性インスリン分泌不全を緩和するためのインスリン分泌を促進する薬剤(グルコース応答性インスリン分泌改善剤)のスクリーニングに用いることができる。従って本発明は、かかる膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物、又はそれから得られるDrp1遺伝子の機能が欠損した膵β細胞に、被験物質を投与することを特徴とする、グルコース応答性インスリン分泌改善剤のスクリーニング方法も提供する。より具体的には、その膵β細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物又はその膵β細胞に被験物質を投与した結果、インスリン分泌を促進する被験物質を、グルコース応答性インスリン分泌改善剤として選択することができる。被験物質の動物への投与は、用いる被験物質で意図する投与経路に合わせ、経口投与であってもよいし、非経口投与(静脈注射、皮下注射、腹腔内注射、経直腸投与等)であってもよい。被験物質の細胞への投与は、膵β細胞の培養培地に被験物質を添加することにより行えばよい。 Therefore, the pancreatic β cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammal of the present invention, or the pancreatic β cell deficient in the function of the Drp1 gene obtained from the animal, is a glucose-responsive insulin secretion deficiency model animal or model cell, respectively. It can be used for screening for a drug that promotes insulin secretion (glucose-responsive insulin secretion improving agent) for alleviating glucose-responsive insulin secretion failure. Accordingly, the present invention provides a glucose-responsive insulin characterized by administering a test substance to such a pancreatic β-cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammal or a pancreatic β-cell deficient in the function of the Drp1 gene obtained therefrom. A screening method for secretagogues is also provided. More specifically, a test substance that promotes insulin secretion as a result of administering a test substance to the pancreatic β cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammal or the pancreatic β cell is selected as a glucose-responsive insulin secretion improving agent. can do. Administration of the test substance to the animal may be oral administration or parenteral administration (intravenous injection, subcutaneous injection, intraperitoneal injection, rectal administration, etc.) according to the intended administration route of the test substance to be used. May be. Administration of the test substance to the cells may be performed by adding the test substance to the culture medium of pancreatic β cells.
この被験物質は任意の物質であってよい。被験物質としては、例えば、DNAやRNAなどを含む核酸、酵素、抗体、ペプチドなどを含むタンパク質、小分子有機又は無機化合物などが挙げられる。 This test substance may be any substance. Examples of the test substance include nucleic acids including DNA and RNA, proteins including enzymes, antibodies, peptides, small molecule organic or inorganic compounds.
こうして得られたグルコース応答性インスリン分泌改善剤は、2型糖尿病又はその合併症の候補治療薬となりうる。
The glucose-responsive insulin secretion improving agent thus obtained can be a candidate therapeutic for
2)シナプス形成不全モデル動物
神経細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物の神経細胞においては、巨大化したミトコンドリアが観察され、またアポトーシスの亢進が認められる。神経細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物では、脳内で神経細胞のシナプス形成不全が認められる。本発明において「シナプス形成不全」とは、シナプスが十分に形成されていない状態をいう。「シナプス形成不全」は、以下に限定するものではないが、シナプス形成プロセスが開始されないか若しくは途中で停止すること、シナプス形成プロセスが正常に進行しないこと、又は形成されたシナプスが死滅若しくは脱落により減少すること等によって引き起こされうる。本発明における「シナプス形成不全」は、典型的には、神経細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物において、対照となる正常動物と比較して検出されるシナプス数が減少することによって示される。
2) Synergic hypoplasia model animal nerve cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammal nerve cells have enlarged mitochondria and increased apoptosis. In a non-human mammal deficient in nerve cell-specific Drp1 gene, synapse formation of nerve cells is observed in the brain. In the present invention, “synapse formation failure” refers to a state where synapses are not sufficiently formed. “Synapse formation failure” is not limited to the following, but the synapse formation process is not started or stopped in the middle, the synapse formation process does not proceed normally, or the formed synapse is killed or dropped out. It can be caused by decreasing etc. “Synapse formation failure” in the present invention is typically indicated by a decrease in the number of synapses detected in a non-human mammal deficient in a nerve cell-specific Drp1 gene compared to a normal animal as a control.
Drp1遺伝子欠損神経細胞のシナプス形成不全は、例えば、以下のようにして調べることができる。まず、Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物ES細胞を、培地(例えばLIF(-))を用いて浮遊培養ディッシュ上で培養し(2日間程度)、胚様体を作製し、その胚様体を神経細胞分化誘導用培地で培養する。そのような培地としては、インスリン、トランスフェリン、塩化セレン、ヒト血漿フィブロネクチンを添加したDMEM/F12培地が挙げられる。さらにトリプシン等で培養容器から細胞塊を剥がし、培養ディッシュ中、例えば、N2サプリメント、B27サプリメント、及びヒト塩基性FGFを添加したDMEM/F12培地等の適切な培地にて培養(例えば、6日間)することにより、野性型ES細胞であれば軸索を有する神経細胞を分化誘導することができる。そこで次に、神経細胞特異的抗体やミトコンドリア特異的抗体を用いて神経細胞やミトコンドリアを染色し、観察すればよい。その結果、神経細胞様の細胞の存在が検出され、かつそれらの細胞が中枢神経系様のネットワークを形成することが示される場合には、誘導された神経細胞はシナプス形成能を有すると判断される。一方、神経細胞様の細胞は検出されるが、神経細胞体からの十分な軸索突起形成や、中枢神経系様のネットワーク形成が観察されない場合には、その神経細胞は十分なシナプス形成能を有さず、すなわちシナプス形成不全を示すものと判断される。このような神経細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物は、シナプス形成不全のモデル動物として用いることができるが、シナプス形成不全は神経細胞回路の破断を引き起こし、一般的な神経変性の病態を誘導すると考えられることから、神経変性疾患や認知症などの神経疾患のモデル動物として利用することもできる。 The failure of synapse formation in Drp1 gene-deficient neurons can be examined, for example, as follows. First, the Drp1 gene-deficient non-human mammal ES cells are cultured on a suspension culture dish (for about 2 days) using a medium (for example, LIF (-)) to produce an embryoid body. Culture in a cell differentiation induction medium. Examples of such a medium include DMEM / F12 medium supplemented with insulin, transferrin, selenium chloride, and human plasma fibronectin. Further, the cell mass is peeled from the culture vessel with trypsin or the like, and cultured in an appropriate medium such as DMEM / F12 medium supplemented with N2 supplement, B27 supplement, and human basic FGF (for example, 6 days). By doing so, neuronal cells having axons can be induced to differentiate in the case of wild type ES cells. Then, nerve cells and mitochondria may then be stained and observed using nerve cell specific antibodies or mitochondrial specific antibodies. As a result, if the presence of neuron-like cells is detected and these cells are shown to form a central nervous system-like network, the induced neuron is judged to have synapse-forming ability. The On the other hand, if neuron-like cells are detected but sufficient axon formation from the neuron body and central nervous system-like network formation are not observed, the neuron has sufficient synapse-forming ability. It is judged that there is no synapse formation dysfunction. Such nerve cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammals can be used as model animals for synapse formation failure, but synapse formation causes disruption of neuronal circuit and induces general neurodegenerative pathology Therefore, it can be used as a model animal for neurological diseases such as neurodegenerative diseases and dementia.
なお、シナプス形成不全と神経変性疾患や認知症などの神経疾患との関連については、多くの報告がある。例えば、アルツハイマー症候群や中等度の認知症の患者の海馬において、シナプスの減少が顕著に認められたとの報告もある(Scheff S.W. et al., Neurology, 2007 May 1;68(18):1501-1508)。また近年では、神経細胞よりもむしろシナプスを保持することによる神経疾患の治療が有望視されている。例えば、神経細胞の変性をきたし進行性の神経症状を示すニーマンピック病C型のモデルマウスへ骨髄由来の間葉肝細胞を移植することにより、シナプス形成を促進し、機能的なシナプス伝達を行う神経ネットワークの形成を促進できたことが報告されている(Bae J.S. et al., Stem Cells., 2007 May;25(5):1307-1316)。 There are many reports on the relationship between synapse dysfunction and neurological diseases such as neurodegenerative diseases and dementia. For example, it has been reported that synapse reduction was significantly observed in the hippocampus of patients with Alzheimer's syndrome and moderate dementia (Scheff SW et al., Neurology, 2007 May 1; 68 (18): 1501-1508 ). In recent years, treatment of neurological diseases by holding synapses rather than nerve cells has been considered promising. For example, transplantation of bone marrow-derived mesenchymal hepatocytes into a Niemann-Pick disease type C model mouse that causes neuronal degeneration and exhibits progressive neurological symptoms promotes synapse formation and performs functional synaptic transmission. It has been reported that it was able to promote the formation of neural networks (Bae JS et al., Stem Cells., 2007 May; 25 (5): 1307-1316).
従って、本発明の神経細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物は、シナプス形成不全モデル動物として、シナプス形成を促進する薬剤(シナプス形成促進剤)のスクリーニングに用いることができる。従って本発明は、かかる神経細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物、又はそれから得られるDrp1遺伝子の機能が欠損した神経細胞に被験物質を投与することを特徴とする、シナプス形成促進剤のスクリーニング方法も提供する。より具体的には、その神経細胞特異的Drp1遺伝子欠損非ヒト哺乳動物又はその神経細胞(例えば、胎児脳由来の未分化神経細胞)に被験物質を投与して、神経分化誘導(例えば軸索の伸長)を促進するものを、シナプス形成促進剤として選択することができる。被験物質の動物への投与は、用いる被験物質で意図する投与経路に合わせ、経口投与であってもよいし、非経口投与(静脈注射、皮下注射、腹腔内注射、経直腸投与等)であってもよい。被験物質の細胞への投与は、神経細胞の培養培地に被験物質を添加することにより行えばよい。 Therefore, the nerve cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammal of the present invention can be used as a model animal for synapse formation failure to screen for a drug that promotes synapse formation (synapse formation promoter). Therefore, the present invention provides a screening method for a synapse formation promoter, characterized by administering a test substance to such a nerve cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammal or a nerve cell deficient in the function of the Drp1 gene obtained therefrom. Also provide. More specifically, a test substance is administered to the nerve cell-specific Drp1 gene-deficient non-human mammal or the nerve cell (for example, undifferentiated nerve cell derived from fetal brain) to induce nerve differentiation (for example, axon What promotes (elongation) can be selected as a synapse formation promoter. Administration of the test substance to the animal may be oral administration or parenteral administration (intravenous injection, subcutaneous injection, intraperitoneal injection, rectal administration, etc.) according to the intended administration route of the test substance to be used. May be. Administration of the test substance to the cells may be performed by adding the test substance to the culture medium of nerve cells.
この被験物質は任意の物質であってよい。被験物質としては、例えば、DNAやRNAなどを含む核酸、酵素、抗体、ペプチドなどを含むタンパク質、小分子有機又は無機化合物などが挙げられる。 This test substance may be any substance. Examples of the test substance include nucleic acids including DNA and RNA, proteins including enzymes, antibodies, peptides, small molecule organic or inorganic compounds.
こうして得られたシナプス形成促進剤は、神経変性疾患や認知症等の神経疾患の候補治療薬となりうる。 The synapse formation promoter thus obtained can be a candidate therapeutic agent for neurological diseases such as neurodegenerative diseases and dementia.
以下、実施例を用いて本発明をさらに具体的に説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]Drp1遺伝子をノックアウトしたマウス及び細胞の作製
以下の手順に従い、Cre-loxPシステムを用いたDrp1遺伝子コンディショナルノックアウトマウスを作製した(図1A及びB)。
まず、ターゲティングベクターを作製するため、マウス129/SVゲノムライブラリー(STRATAGENE)を、プローブとしてマウスDrp1の549bpのcDNA断片(以下のプライマー:5’-TCGAGTCCCCATTCATTGCAG-3’および5’-GGTCATTCCCGGTAAATCCAC-3’にて増幅したもの)を用いてスクリーニングし、マウスDrp1遺伝子を含むゲノムDNAクローンを同定した。得られたクローンについて制限酵素地図を作製し、それに基づいてゲノムDNAクローンからDrp1遺伝子のエキソン2の上流配列を含むHindIII-XbaI断片(約3.6kb)、Drp1遺伝子のエキソン2を含むXbaI-SpeI断片(約1.8kb)、Drp1遺伝子のエキソン2の下流にあるエキソン3及び4を含むSpeI-EcoRV断片(約5.6kb)を切り出した。次いで、pfloxプラスミド(ネオマイシン耐性遺伝子(neo)とその両側に隣接した2つのloxP配列を含むプラスミドである)中に、そのHindIII-XbaI断片(約3.6kb)、loxP配列(5'-ATAACTTCGTATAGCATACATTATACGAAGTTAT-3')、XbaI-SpeI断片(約1.8kb)、loxP配列、ネオマイシン耐性遺伝子(neo)、loxP配列、SpeI-EcoRV断片(約5.6kb)を5'→3'の方向で順に挿入することにより、ターゲティングベクターを作製した。loxP配列はいずれも同方向に配置した。
[Example 1] Preparation of mice and cells knocked out of Drp1 gene Drp1 gene conditional knockout mice using the Cre-loxP system were prepared according to the following procedure (Figs. 1A and B).
First, in order to prepare a targeting vector, a mouse 129 / SV genomic library (STRATAGENE) was used as a probe and a 549 bp cDNA fragment of mouse Drp1 (the following primers: 5'-TCGAGTCCCCATTCATTGCAG-3 'and 5'-GGTCATTCCCGGTAAATCCAC-3' And a genomic DNA clone containing the mouse Drp1 gene was identified. A restriction enzyme map was prepared for the obtained clone, and based on this, a HindIII-XbaI fragment (approximately 3.6 kb) containing the upstream sequence of
このターゲティングベクターを、エレクトロポレーション法を用いて、マウスES細胞(J1細胞株;Li E. et al. Cell 69, 915-926, 1992)に導入し、その後、200μg/mlのG418を含む培地における細胞選択により、相同組換え体であるES細胞を得た。この相同組換え体ES細胞(Drp1lox/+ES細胞)は、ゲノム上のDrp1遺伝子のエキソン2が、両側をloxP配列に挟まれたエキソン2に置換され、さらにその下流にネオマイシン耐性遺伝子とloxP配列が導入されているDrp1遺伝子変異体を有する(図1A、中段)。
This targeting vector was introduced into mouse ES cells (J1 cell line; Li E. et al. Cell 69, 915-926, 1992) using an electroporation method, and then a medium containing 200 μg / ml G418. By ES cell selection, ES cells that were homologous recombinants were obtained. In this homologous recombinant ES cell (Drp1 lox / + ES cell),
次に、この相同組換え体ES細胞を、C57BL6系統のマウスから採取した胚盤胞にインジェクションし、常法に従い、それを偽妊娠マウスの子宮に移植し、仔マウスを誕生させることによりキメラマウスを得た。このキメラマウスをC57BL6系統のマウスと戻し交配して仔マウスを得ることにより、loxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をヘテロ接合で有するマウス(loxヘテロマウス又はDrp1lox/+マウスと呼ぶ)を作製した。さらにこのヘテロマウス同士の交配により、loxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をホモ接合で有するマウス(loxホモマウス又はDrp1lox/loxマウスと呼ぶ)を作製した。 Next, this homologous recombinant ES cell was injected into a blastocyst collected from a C57BL6 strain mouse, and transplanted into the uterus of a pseudopregnant mouse according to a conventional method to give birth to a chimeric mouse. Got. This chimeric mouse was backcrossed with a mouse of C57BL6 strain to obtain a pup mouse, thereby producing a mouse having a heterozygous Drp1 gene into which a loxP sequence was inserted (referred to as a lox hetero mouse or a Drp1 lox / + mouse). . Furthermore, a mouse having a homozygous Drp1 gene into which a loxP sequence was inserted (referred to as a lox homo mouse or a Drp1 lox / lox mouse) was prepared by crossing the heterozygous mice.
Drp1全身欠損マウスの作製のため、配偶子でCreタンパク質を発現するEIIa-Creトランスジェニックマウス(Lakso M et al, PNAS 93, 5860-5865, 1996)を用いた。EIIa-Creトランスジェニックマウスでは、そのゲノム上においてアデノウイルスEIIaプロモーターによりCreタンパク質(Creリコンビナーゼ)の発現が制御されており、特にその配偶子や初期胚においてCreタンパク質の発現が広く認められる。ここではEIIa Creトランスジェニックマウスを、The Jackson laboratory(Bar Harbor, ME)から購入して用いた(Stock Number: 003724)。まず、上記で得られたDrp1lox/+マウスをこのElla-Creトランスジェニックマウスと交配することにより、エキソン2の欠失により破壊されたDrp1遺伝子をヘテロ接合で有するヘテロノックアウトマウス(Drp1+/-マウス)を得た。さらにこのDrp1+/-マウス同士の交配により、破壊されたDrp1遺伝子をホモ接合で有するホモノックアウトマウス(Drp1-/-マウス)を作製した。
EIIa-Cre transgenic mice that express Cre protein in gametes (Lakso M et al, PNAS 93, 5860-5865, 1996) were used to produce Drp1 whole body-deficient mice. In EIIa-Cre transgenic mice, the expression of Cre protein (Cre recombinase) is controlled on the genome by the adenovirus EIIa promoter, and in particular, the expression of Cre protein is widely observed in gametes and early embryos. Here, EIIa Cre transgenic mice were purchased from The Jackson laboratory (Bar Harbor, ME) and used (Stock Number: 003724). First, by crossing the Drp1 lox / + mouse obtained above with this Ella-Cre transgenic mouse, a heterozygous knockout mouse (Drp1 +/- having a Drp1 gene disrupted by
さらに、組織特異的にDrp1遺伝子を破壊したマウスを得るため、神経特異的にCreタンパク質を発現するnestin-Creトランスジェニックマウス、及び膵β細胞特異的にCreタンパク質を発現するRIP-Creトランスジェニックマウスをそれぞれ用いた。nestin-Creトランスジェニックマウスは、Klein R.らにより作製され、Nat Genet 23: 99-103, 1999に報告されたものであり、そのゲノム上でラットネスチン遺伝子プロモーターとエンハンサーによりCreタンパク質の発現が神経細胞特異的に制御されている。本実施例ではnestin-Creトランスジェニックマウスを、The Jackson laboratory(Bar Harbor, ME)から購入して用いた(Stock Number: 003771)。一方、RIP-Creトランスジェニックマウスは、Magnuson M.らにより作製され、J Biol Chem 274: 305-315, 1999に報告されたものであり、ラットインスリンII プロモーターにより制御されたCreタンパク質の発現がほぼ膵β細胞特異的に見られるが、極少量の発現は視床下部にも見られる。本実施例ではRIP-Creトランスジェニックマウスを、The Jackson laboratory(Bar Harbor, ME)から購入して用いた(Stock Number: 003573)。上記で得られたDrp1lox/loxマウスを、nestin-Creトランスジェニックマウス又はRIP-Creトランスジェニックマウスと交配して、神経細胞特異的又は膵β細胞特異的に発現するCreトランスジーン(すなわち、Creタンパク質をコードする外来遺伝子)を持つDrp1lox/+マウスを仔マウスとして取得し、そのDrp1lox/+マウスをさらにDrp1lox/loxマウスと掛け合わせることにより、Drp1遺伝子がそれぞれ神経特異的又は膵β細胞特異的に破壊されるノックアウト(KO)マウスを作製することができた(それぞれ、Drp1lox/lox;nestin-Creマウス、Drp1lox/lox;RIP-Creマウス)。 Furthermore, in order to obtain mice in which the Drp1 gene was disrupted in a tissue-specific manner, nestin-Cre transgenic mice that express Cre protein in a nerve-specific manner and RIP-Cre transgenic mice that express Cre protein in a pancreatic β-cell-specific manner Were used respectively. The nestin-Cre transgenic mouse was created by Klein R. et al. and reported in Nat Genet 23: 99-103, 1999, and the expression of Cre protein is expressed in the genome by the rat nestin gene promoter and enhancer. It is cell-specifically controlled. In this example, nestin-Cre transgenic mice were purchased from The Jackson laboratory (Bar Harbor, ME) and used (Stock Number: 003771). On the other hand, RIP-Cre transgenic mice were produced by Magnuson M. et al. And reported in J Biol Chem 274: 305-315, 1999, and the expression of Cre protein controlled by the rat insulin II promoter was almost the same. Although it is found specifically in pancreatic β cells, very little expression is also seen in the hypothalamus. In this example, RIP-Cre transgenic mice were purchased from The Jackson laboratory (Bar Harbor, ME) and used (Stock Number: 003573). The Drp1 lox / lox mouse obtained above is crossed with a nestin-Cre transgenic mouse or a RIP-Cre transgenic mouse to produce a Cre transgene (ie, Cre-expressed in a pancreatic β cell-specific manner). A Drp1 lox / + mouse having a foreign gene encoding a protein) is obtained as a offspring mouse, and the Drp1 lox / + mouse is further crossed with a Drp1 lox / lox mouse, so that the Drp1 gene is nerve-specific or pancreatic β, respectively. We were able to create knockout (KO) mice that were specifically disrupted by cells (Drp1 lox / lox ; nestin-Cre mouse and Drp1 lox / lox ; RIP-Cre mouse, respectively).
さらに、Drp1lox/loxマウス胎児から繊維芽細胞を採取し、loxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をホモ接合で有するマウス胎児繊維芽細胞株(Drp1lox/loxMEF細胞)を作製した。一方、Drp1lox/+ES細胞を高濃度(4mg/ml)のG418を含有する選択培地で培養することにより、loxP配列が挿入されたDrp1遺伝子をホモ接合で有するES細胞(Drp1lox/loxES細胞)を作製した。次いでDrp1lox/loxMEF細胞又はDrp1lox/loxES細胞に、アデノウイルスを用いたCre遺伝子の外来導入を行い、Creタンパク質を発現させることにより、破壊(ノックアウト)されたDrp1遺伝子をホモ接合で有するDrp1-/-MEF細胞又はDrp1-/-ES細胞を作製した。 Furthermore, fibroblasts were collected from Drp1 lox / lox mouse embryos, and a mouse fetal fibroblast cell line (Drp1 lox / lox MEF cells) having the Drp1 gene inserted with the loxP sequence in a homozygote was prepared. On the other hand, by culturing Drp1 lox / + ES cells in a selective medium containing a high concentration (4 mg / ml) of G418, ES cells (Drp1 lox / lox ES with homozygous Drp1 gene inserted with loxP sequence) Cell). Subsequently, the Cre gene is introduced into a Drp1 lox / lox MEF cell or a Drp1 lox / lox ES cell by exogenous introduction of the Cre gene using adenovirus, and the Cre protein is expressed to have a homozygous Drp1 gene disrupted (knocked out). Drp1 − / − MEF cells or Drp1 − / − ES cells were prepared.
以上の通り作製したDrp1ノックアウトマウス及びノックアウト細胞については、常法によりそれぞれ抽出したゲノムDNAを鋳型とし、図1A中に示すプライマー1Fと2Rのセット及びプライマー1Fと3Rのセットを用いたPCR増幅を行い、その増幅断片のサイズから、loxP配列、及びloxP配列とneo遺伝子の挿入の有無を確認した。用いたプライマーの配列及び増幅断片のサイズは以下の通りである。
・プライマー1F: 5'- CAGCTGCACTGGCTTCATGACTC -3'
・プライマー2R: 5'- GTCAACTTGCCATAAACCAGAG -3'
・プライマー3R: 5'- CCATAGCACACGCATACCAT -3'
プライマー1Fと2Rによる増幅断片:野性型では約0.2kb、loxP配列を含む場合は約0.3kb
プライマー1Fと3Rによる増幅断片:野性型では約3.5kb、loxP配列及びneo遺伝子を含む場合は約5.4kb、エキソン2が欠失した場合は約1.7kb。
For the Drp1 knockout mice and knockout cells prepared as described above, PCR amplification using the genomic DNA extracted by the conventional method as a template and the
・
・
・
Amplified fragment with
Amplified
この結果を図2Aに示す。図2A中、(i)はES細胞の結果を示す。各レーンは左から順に、Cre発現前の野性型細胞(ES Drp1+/+)、Cre発現前のDrp1lox/lox細胞、対照遺伝子(LacZ)を発現したDrp1lox/lox細胞、Cre発現後のDrp1lox/+細胞、Cre発現後のDrp1lox/lox細胞である。ES細胞において、Creタンパク質の発現により、loxP配列を両隣に挿入したDrp1遺伝子を欠損させることができたことが確認された。(ii)はMEF細胞の結果を示す。各レーンは左から順にCre発現前のDrp1lox/lox細胞、Cre発現により得られたDrp1-/-細胞である。Drp1-/-MEF細胞において、loxP配列を両隣に挿入したDrp1遺伝子を欠損させることができたことが確認された。(iii)はDrp1欠損マウスの尾部の結果を示す。各レーンは左から順にDrp1+/+、Drp1+/-、Drp1-/-マウスである。(iv)はDrp1lox/lox;nestin-Creマウスの脳の結果を示す。各レーンは左から順にDrp1lox/+マウス、Drp1lox/lox;nestin-Creマウス#1、Drp1lox/lox;nestin-Creマウス#2(2匹の同じ遺伝子型のマウスを確認)である。
The result is shown in FIG. 2A. In FIG. 2A, (i) shows the results of ES cells. Each lane from left, wild-type cells before Cre expression (ES Drp1 + / +), Drp1 lox / lox cells before Cre expression, Drp1 lox / lox cells that expressed control gene (LacZ), after Cre expression Drp1 lox / + cells, Drp1 lox / lox cells after Cre expression. In ES cells, it was confirmed that the Drp1 gene with the loxP sequence inserted on both sides could be deleted by the expression of Cre protein. (ii) shows the result of MEF cells. Each lane is Drp1 lox / lox cells before Cre expression and Drp1 − / − cells obtained by Cre expression in order from the left. In Drp1 − / − MEF cells, it was confirmed that the Drp1 gene having loxP sequences inserted on both sides could be deleted. (iii) shows the result of the tail of Drp1-deficient mice. Each lane is Drp1 + / + , Drp1 +/− , Drp1 − / − mouse in order from the left. (iv) shows the brain results of Drp1 lox / lox ; nestin-Cre mice. Each lane is a Drp1 lox / + mouse, a Drp1 lox / lox ; nestin-
さらにDrp1ノックアウトマウス及びノックアウト細胞から常法により得たタンパク質抽出物について、ウェスタンブロッティングにより、Drp1タンパク質の発現を確認した(図2B)。また対照として、Tom40、Fis1、PDIの各タンパク質の発現も調べた。図2B中、(i)はES細胞の結果を示す。各レーンは左から順に、Cre発現前の野性型細胞(Drp1+/+ES)、Cre発現前のDrp1lox/lox細胞、Cre発現後の野性型細胞(Cre Drp1+/+ ES)、Cre発現後のDrp1lox/+細胞、Cre発現後のDrp1lox/lox細胞である。(ii)はMEF細胞の結果を示す。各レーンは左から順にCre発現前のDrp1lox/lox細胞、Cre発現により得られたDrp1-/-細胞である。(iv)はDrp1lox/lox;nestin-Creマウスの脳の結果を示す。各レーンは左から順にDrp1lox/+マウス、Drp1lox/lox;nestin-Creマウス#1、Drp1lox/lox;nestin-Creマウス#2(2匹の同じ遺伝子型のマウスを確認)である。Drp1ノックアウトマウス及びノックアウト細胞において、Drp1遺伝子産物が確かに欠失していることが確認された。なお図2B中、αDrp1、αTom40、αFis1、及びαPDIは、Drp1、Tom40、Fis1、及びPDIのそれぞれに対する検出用抗体である。
Furthermore, expression of Drp1 protein was confirmed by Western blotting for protein extracts obtained from Drp1 knockout mice and knockout cells by a conventional method (FIG. 2B). As a control, the expression of Tom40, Fis1, and PDI proteins was also examined. In FIG. 2B, (i) shows the results of ES cells. Each lane is, from left to right, wild type cells before Cre expression (Drp1 + / + ES), Drp1 lox / lox cells before Cre expression, wild type cells after Cre expression (Cre Drp1 + / + ES), Cre expression Drp1 lox / + cells after, and Drp1 lox / lox cells after expression of Cre. (ii) shows the result of MEF cells. Each lane is Drp1 lox / lox cells before Cre expression and Drp1 − / − cells obtained by Cre expression in order from the left. (iv) shows the brain results of Drp1 lox / lox ; nestin-Cre mice. Each lane is a Drp1 lox / + mouse, a Drp1 lox / lox ; nestin-
[実施例2]Drp1欠損細胞の解析
実施例1に従って作製したそれぞれDrp1lox/lox及びDrp1-/-のES細胞及びMEF細胞について、細胞内のミトコンドリアの形態及び分布を観察した。ミトコンドリアの観察は、蛍光顕微鏡、及び電子顕微鏡をそれぞれ用いて行った。蛍光顕微鏡観察は、それぞれの細胞についてミトコンドリア(mit)をミトコンドリア局在化赤色蛍光蛋白質(su9-RFP: Euraら、 J Biochem (Tokyo). 2003 Sep;134(3):333-344に報告されている)により染色し、ペルオキシソーム(per)をペルオキシソーム局在化緑色蛍光蛋白質(GFP-SKL: GFPのC末端にペルオキシソーム局在化シグナルSer-Lys-Leuを融合した蛋白質)により染色することにより行った(図3A〜C)。それぞれの細胞はさらに常法により電子顕微鏡観察を行った(図3D)。観察の結果、図3にも示される通り、Drp1-/-ES細胞とDrp1-/-MEF細胞では、ミトコンドリア分裂が抑制されてミトコンドリアが長くなっていること、及びミトコンドリアが細胞内で核周辺に集積しやすくなっていることが明らかとなった。さらに、Drp1-/-ES細胞に外来Drp1遺伝子を導入し発現させたところ、ミトコンドリアの形態及び局在性はDrp1lox/lox細胞のものに近づき、相補されたことが示された(図3B)。
[Example 2] Analysis of Drp1-deficient cells For the Drp1 lox / lox and Drp1 -/- ES cells and MEF cells prepared according to Example 1, the intracellular mitochondrial morphology and distribution were observed. Observation of mitochondria was performed using a fluorescence microscope and an electron microscope, respectively. Fluorescence microscopy has been reported in each cell for mitochondria (mit), mitochondrial localized red fluorescent protein (su9-RFP: Eura et al., J Biochem (Tokyo). 2003 Sep; 134 (3): 333-344 The peroxisome (per) was stained with peroxisome-localized green fluorescent protein (GFP-SKL: a protein in which the peroxisome localization signal Ser-Lys-Leu was fused to the C-terminus of GFP). (FIGS. 3A-C). Each cell was further observed with an electron microscope by a conventional method (FIG. 3D). As a result of observation, as shown also in FIG. 3, in Drp1 − / − ES cells and Drp1 − / − MEF cells, mitochondrial division is suppressed and mitochondria are lengthened, and mitochondria are located in the periphery of the nucleus in the cell. It became clear that it was easy to accumulate. Furthermore, when the foreign Drp1 gene was introduced and expressed in Drp1 − / − ES cells, the morphology and localization of mitochondria approached that of Drp1 lox / lox cells, indicating that they were complemented (FIG. 3B). .
図4Aには、Drp1lox/lox及びDrp1-/-のES細胞の観察において、管状形態(tubular;黒のバー)、断片化形態(fragment;白のバー)、及びその中間の形態(中間形態;intermediate;灰色のバー)のミトコンドリアが観察された細胞の割合を示した。loxP配列が挿入されているがDrp1遺伝子を保持している細胞では断片化形態のミトコンドリアが多く認められたが、Drp1遺伝子のホモノックアウト細胞では管状形態のミトコンドリアが増大していた。一方、図4Bには、Drp1lox/lox及びDrp1-/-のMEF細胞の観察において、高度に連結した形態(高度連結形態;highly connected;黒のバー)、管状形態(tubular;灰色のバー)、及び断片化形態(fragment;白のバー)のミトコンドリアが観察された細胞の数の割合を示した。loxP配列が挿入されているがDrp1遺伝子を保持している細胞では管状形態のミトコンドリアが多く認められたが、Drp1遺伝子のホモノックアウト細胞では高度連結形態のミトコンドリアが増大していた。このようにDrp1遺伝子のホモノックアウト細胞では、より体積の大きなミトコンドリアの増加が認められた。 FIG. 4A shows a tubular form (tubular; black bar), a fragmented form (fragment; white bar), and an intermediate form (intermediate form) in observation of Drp1 lox / lox and Drp1 − / − ES cells. Intermediate; gray bars), the percentage of cells in which mitochondria were observed. In the cells with the loxP sequence inserted but retaining the Drp1 gene, many fragmented forms of mitochondria were observed, whereas in the homozygous knockout cells of the Drp1 gene, tubular forms of mitochondria were increased. On the other hand, in FIG. 4B, in the observation of Drp1 lox / lox and Drp1 − / − MEF cells, a highly connected form (highly connected; black bar), a tubular form (tubular; gray bar) And the percentage of the number of cells in which mitochondria in a fragmented form (fragment; white bar) were observed. Tubular forms of mitochondria were observed in cells that had the loxP sequence inserted but retained the Drp1 gene, whereas highly linked forms of mitochondria increased in homologous knockout cells of the Drp1 gene. Thus, in the homozygous knockout cells of the Drp1 gene, a larger volume of mitochondria was observed.
さらに、これらの細胞について、細胞増殖(図5)、ミトコンドリア膜電位(図6A)及び相対ミトコンドリアDNA(mtDNA)含量(図6B)を調べた。細胞増殖は、細胞数計測によって測定した。ミトコンドリア膜電位はミトコンドリア膜電位依存的蛍光色素の定量化によって測定した。それぞれの細胞から全DNAを常法により抽出し、得られたDNAサンプルを連続希釈したものを鋳型として、COXI遺伝子(mtDNA)及びDrp1遺伝子(ゲノムDNA)をPCR増幅し、それを電気泳動し、分画したDNAを可視化して、Drp1lox/loxとDrp1-/-のサンプル間でそれぞれの増幅量を比較し、それによりmtDNA含量とゲノムDNA含量の変化を相対的に比較した。その結果、loxP配列が挿入されているが正常なDrp1遺伝子を保持している細胞(Drp1lox/lox)とDrp1遺伝子のホモノックアウト細胞(Drp1-/-)との間で、上記の点では明確な差異は認められなかった。従来、ミトコンドリアはミトコンドリアの分裂に伴って増殖すると考えられていたため、Drp1のノックアウトはミトコンドリアの増殖及び機能を阻害する可能性が考えられてきた。しかし上記の結果はその予想と異なり、Drp1の機能は、細胞増殖及びミトコンドリア増殖、並びにミトコンドリアの機能性維持には必須ではないことを示していた。 Furthermore, these cells were examined for cell proliferation (FIG. 5), mitochondrial membrane potential (FIG. 6A) and relative mitochondrial DNA (mtDNA) content (FIG. 6B). Cell proliferation was measured by cell count. Mitochondrial membrane potential was measured by quantification of mitochondrial membrane potential dependent fluorescent dyes. Total DNA was extracted from each cell by a conventional method, and the DNA samples obtained were serially diluted and used as a template to PCR-amplify the COXI gene (mtDNA) and Drp1 gene (genomic DNA), and then electrophorese them. The fractionated DNA was visualized, and the amount of each amplification was compared between the Drp1 lox / lox and Drp1 − / − samples, thereby relatively comparing the changes in mtDNA content and genomic DNA content. As a result, it is clear in the above points between cells that have loxP sequence inserted but retain normal Drp1 gene (Drp1 lox / lox ) and homozygous knockout cells of Drp1 gene (Drp1 -/- ) There was no significant difference. Traditionally, mitochondria were thought to proliferate with mitochondrial fission, so it was thought that knockout of Drp1 could inhibit mitochondrial growth and function. However, the above results differed from the expectation, indicating that the function of Drp1 is not essential for cell proliferation and mitochondrial proliferation, and maintenance of mitochondrial functionality.
[実施例3]Drp1全身欠損マウス胎児の解析
実施例1で作製したDrp1-/-マウスは、全身の細胞においてDrp1遺伝子がホモ接合性で破壊されているDrp1全身欠損マウスである。Drp1-/-マウスの発生を観察し、胎児を妊娠マウスより摘出して実体顕微鏡下で観察し、さらにその胎児のパラフィン封埋後切片を顕微鏡下で観察した。
[Example 3] Analysis of Drp1 whole body-deficient mouse fetus The Drp1 -/- mouse prepared in Example 1 is a Drp1 whole body deficient mouse in which the Drp1 gene is homozygous and disrupted in whole body cells. The development of Drp1 − / − mice was observed, the fetuses were removed from the pregnant mice and observed under a stereomicroscope, and the fetal paraffin-embedded sections were observed under the microscope.
その結果、Drp1-/-マウスは、胎生12.5日(E12.5)以前に胎生致死となり、胎生15.5日(E15.5)以降に親マウスの身体に吸収された。またDrp1-/-マウスには、胎生9.5日(E9.5)〜胎生11.5日(E11.5)で発生遅延が認められた(図7A〜Dの写真の-/-)。Drp1-/-マウス胎児では、脳、心臓、肝臓などの組織の形成は認められた(図7E)。図7Eに示される通り、E11.5のDrp1-/-マウス胎児では細胞増殖は停止していなかった。さらにE11.5のDrp1-/-マウス胎児では、神経細胞におけるアポトーシスの亢進が認められた(図7F)。このように、Drp1遺伝子の機能は、マウス胎児期の発生に必須であることが示された。 As a result, Drp1 − / − mice became embryonic lethal before embryonic day 12.5 (E12.5) and were absorbed by the parent mouse body after embryonic day 15.5 (E15.5). In Drp1 − / − mice, developmental delay was observed from embryonic day 9.5 (E9.5) to embryonic day 11.5 (E11.5) (-/-in the photographs of FIGS. 7A to 7D). In Drp1 − / − mouse fetuses, formation of tissues such as brain, heart and liver was observed (FIG. 7E). As shown in FIG. 7E, cell growth was not stopped in E11.5 Drp1 − / − mouse embryos. Furthermore, in E11.5 Drp1 − / − mouse fetuses, increased apoptosis in neurons was observed (FIG. 7F). Thus, it was shown that the function of Drp1 gene is essential for the development of the mouse embryonic stage.
[実施例4]神経細胞特異的Drp1欠損マウスの解析
実施例1に従ってDrp1遺伝子を神経特異的に破壊したノックアウトマウス(神経細胞特異的Drp1欠損マウス)の発生を観察した。胎児については実施例3と同様にして観察を行った。対照マウスとしては、Drp1lox/+;nestin-Creを用いた。
[Example 4] Analysis of nerve cell-specific Drp1-deficient mice According to Example 1, the development of knockout mice (nerve cell-specific Drp1-deficient mice) in which the Drp1 gene was specifically disrupted was observed. The fetus was observed in the same manner as in Example 3. As a control mouse, Drp1 lox / + ; nestin-Cre was used.
神経細胞特異的Drp1欠損マウス(Drp1lox/lox;nestin-Cre)は、誕生直後(P0)に、授乳を受けることもなく死亡した(図8A、lox/lox;nestin-Cre)。胎生18.5日(E18.5)の神経細胞特異的Drp1欠損マウス胎児においては、パラフィン封埋後、脳切片を観察したところ、脳の退縮による脳室及びくも膜下領域の拡大、皮質下白質の脱落が認められた(図8B及び図8C)。 Nerve cell-specific Drp1-deficient mice (Drp1 lox / lox ; nestin-Cre) died immediately after birth (P0) without breastfeeding (FIG. 8A, lox / lox; nestin-Cre). In embryonic day 18.5 (E18.5) of neuron-specific Drp1-deficient mouse fetuses, brain sections were observed after paraffin embedding, enlargement of the ventricle and subarachnoid area due to brain regression, loss of subcortical white matter Was observed (FIGS. 8B and 8C).
E18.5の神経細胞特異的Drp1欠損マウス胎児については、脳のパラフィン切片を用いて、TUNEL染色によりアポトーシス細胞の検出を行った。皮質下白質領域を中心としてTUNEL陽性細胞が多く観察され、アポトーシスの亢進が示された(図8D)。 For E18.5 neuron-specific Drp1-deficient mouse embryos, apoptotic cells were detected by TUNEL staining using paraffin sections of the brain. Many TUNEL-positive cells were observed centering on the subcortical white matter region, indicating enhanced apoptosis (FIG. 8D).
さらに、E18.5の神経細胞特異的Drp1欠損マウスの脳では、ミトコンドリアの大きな形態変化が観察された。すなわちその脳には、巨大化したミトコンドリアが細胞質の一部に限局して存在していることが認められた(図9A及びB)。このことから、Drp1遺伝子産物が、ミトコンドリアの分裂を誘導し、神経細胞におけるミトコンドリアの正常な分布、並びに神経細胞の機能発現や生存能に寄与することが示された。実施例2の結果とは異なり、マウスES細胞ではDrp1欠損によりアポトーシス亢進が観察されたことから、Drp1遺伝子は神経細胞のアポトーシス(細胞死)を抑制することが示された。 Furthermore, a large mitochondrial morphological change was observed in the brain of E18.5 neuron-specific Drp1-deficient mice. That is, it was recognized that the enlarged mitochondria were localized in a part of the cytoplasm in the brain (FIGS. 9A and B). This indicates that the Drp1 gene product induces mitochondrial division and contributes to the normal distribution of mitochondria in neurons, as well as the functional expression and viability of neurons. Unlike the results of Example 2, increased apoptosis was observed in mouse ES cells due to Drp1 deficiency, indicating that the Drp1 gene suppresses apoptosis (cell death) of neurons.
[実施例5]Drp1欠損細胞由来神経細胞のシナプス形成不全
Drp1欠損細胞由来神経細胞においてシナプス形成不全を生じることは、Drp1-/-ES細胞からの神経細胞の分化誘導を通じて以下のようにして確認された。
[Example 5] Drp1-deficient cell-derived neuronal dyssynaptic formation
The occurrence of synapse dysfunction in Drp1-deficient cell-derived neurons was confirmed as follows through induction of neuronal differentiation from Drp1 − / − ES cells.
まず、Drp1-/-ES細胞を、LIF(-)の培地を用いて浮遊培養ディッシュ上で2日間培養し、胚様体(EB; embryoid body)を作製した。次いで胚様体を、DMEM/F12培地中にインスリン、トランスフェリン、塩化セレン、ヒト血漿フィブロネクチンを含む培養液にて6日間培養した。その後、トリプシン(TrypLE Select, GIBCO;微生物発酵物由来、非動物性代替製品)で細胞塊を剥がし、ポリ-L-(オルニチン)/ヒトフィブロネクチンでコーティングした培養ディッシュを用い、DMEM/F12培地にN2サプリメント、B27サプリメント、及びヒト塩基性FGFを含む培地にて6日間培養した。このような操作により、野性型ES細胞であれば軸索を有する神経細胞を分化誘導することができる。そこで、神経細胞特異的抗体である抗リン酸化ニューロフィラメント抗体(SMI34:abcam)及びβ-チューブリンIII抗体(sigma)をそれぞれ用いて神経細胞を、ミトコンドリア特異的抗体であるミトフィリン(mitofillin)抗体を用いてミトコンドリアを検出し、観察した。対照として、野生型と同様に正常Drp1遺伝子をホモ接合で有するがそのDrp1遺伝子の両側にloxP配列が挿入されているDrp1lox/loxES細胞を用いて、同様の神経細胞分化誘導実験及び抗体検出を行った。
First,
その結果、Drp1lox/loxES細胞から神経細胞が誘導され、中枢神経系様のネットワークを形成することが観察された(図10A、Drp1 lox/lox)。一方、Drp1-/-ES細胞の場合には、誘導された神経細胞は検出されたが、シナプスを介した中枢神経系様のネットワーク形成は観察されなかった(図10A、Drp1-/-)。また、培養ディッシュ当たりの検出されたβチューブリンIII陽性細胞の数は、Drp1-/-ES細胞由来のものでは、Drp1lox/loxES細胞由来のものと比較して、有意に少なかった(図10B)。 As a result, it was observed that neurons were induced from Drp1 lox / lox ES cells to form a central nervous system-like network (FIG. 10A, Drp1 lox / lox). On the other hand, in the case of Drp1 − / − ES cells, induced neurons were detected, but central nervous system-like network formation via synapses was not observed (FIG. 10A, Drp1 − / −). In addition, the number of β-tubulin III-positive cells detected per culture dish was significantly less in Drp1 -/- ES cell-derived cells than in Drp1 lox / lox ES cell-derived cells (Fig. 10B).
以上の観察から、Drp1欠損神経細胞においてはシナプス形成不全が生じ、中枢神経様ネットワークの形成ができないことが示された。神経細胞特異的Drp1欠損マウスにおいては、神経細胞のシナプス形成不全により、神経細胞間のネットワークが断ち切られ、神経細胞のアポトーシスが亢進した結果、様々な神経変性病態を呈するようになる。従って本発明の神経細胞特異的Drp1欠損マウスは、神経変性疾患が示す一般的な病態によく似た表現型を有する神経変性疾患モデルマウスとして使用可能であることが示された。 From the above observations, it was shown that in Drp1-deficient neurons, synapse formation dysfunction occurred and a central nervous-like network could not be formed. In nerve cell-specific Drp1-deficient mice, the neuronal network is cut off due to the insufficiency of neuronal synapse formation, and neuronal apoptosis is enhanced, resulting in various neurodegenerative conditions. Therefore, it was shown that the nerve cell-specific Drp1-deficient mouse of the present invention can be used as a neurodegenerative disease model mouse having a phenotype that closely resembles the general pathology exhibited by neurodegenerative diseases.
[実施例6]膵β細胞特異的Drp1欠損マウスの解析
実施例1に従ってDrp1遺伝子を膵β細胞特異的に破壊したノックアウトマウス(膵β細胞特異的Drp1欠損マウス)の発生を観察した。対照マウスとしては、Drp1lox/+;RIP-Creを用いた。
[Example 6] Analysis of pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice According to Example 1, the generation of knockout mice (pancreatic β-cell-specific Drp1-deficient mice) in which the Drp1 gene was specifically disrupted was observed. As a control mouse, Drp1 lox / + ; RIP-Cre was used.
膵β細胞特異的Drp1欠損マウスは、誕生後、順調に生育することができた。6週齢の膵β細胞特異的Drp1欠損マウスの膵臓を単離し、パラフィン切片を作製後に組織学的検討を行った。HE染色による組織学的検討では膵臓ランゲルハンス島に明らかな形態異常は見られず、抗インスリン抗体ならびに抗グルカゴン抗体による免疫染色でも膵β細胞と膵α細胞はいずれも正常に認められた。 Pancreatic β-cell-specific Drp1-deficient mice were able to grow smoothly after birth. The pancreas of a 6-week-old pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mouse was isolated and histologically examined after preparing a paraffin section. Histological examination by HE staining showed no obvious morphological abnormalities in the pancreatic islets of Langerhans, and both pancreatic β cells and pancreatic α cells were found normally by immunostaining with anti-insulin antibody and anti-glucagon antibody.
次に上記パラフィン切片について抗ミトコンドリア抗体染色(赤)及びDAPIによる核染色(青)を行い、ミトコンドリアの細胞内局在を確認した。図11Aに示すように、対照マウス(Drp1lox/loxマウス)ではミトコンドリアがほぼ全ての膵β細胞に均一に見られたのに対し、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスでは膵β細胞における染色性が不均一であり、すなわちミトコンドリアの細胞内局在が大きく変化したことが示された。図11Bには図11Aの写真の拡大写真を示すが、対照マウス(野性型表現型)の膵β細胞では細胞質がほぼ均一に染まったのに対して、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスの膵β細胞では細胞質内の一部に局在しており、同一切片上ではミトコンドリア染色が見られない細胞も多く見られた。このように、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスの膵臓では、膵臓ランゲルハンス島細胞は正常に構築されていたが、膵β細胞内のミトコンドリアの分布には大きな変化が生じることが観察された。 Next, the paraffin section was subjected to anti-mitochondrial antibody staining (red) and nuclear staining with DAPI (blue) to confirm the intracellular localization of mitochondria. As shown in FIG. 11A, in the control mouse (Drp1 lox / lox mouse), mitochondria were found uniformly in almost all pancreatic β cells, whereas in the pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice, staining property in pancreatic β cells was observed. Was heterogeneous, ie, the mitochondrial subcellular localization was significantly altered. FIG. 11B shows an enlarged photograph of the photograph of FIG. 11A. The pancreatic β cells of the control mouse (wild type phenotype) stained the cytoplasm almost uniformly, whereas the pancreas of the pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice. In β-cells, many cells were localized in the cytoplasm, and no mitochondrial staining was seen on the same section. Thus, in the pancreas of pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice, pancreatic Langerhans islet cells were normally constructed, but it was observed that a large change occurred in the distribution of mitochondria in pancreatic β cells.
さらに、膵β細胞特異的Drp1欠損マウス(Drp1lox/lox;RIP-Creマウス)及び対照マウス(Drp1lox/loxマウス)を用いて以下の通り糖負荷試験を行った。この糖負荷試験により、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスでは、著しい耐糖能異常が観察された。 Furthermore, a glucose tolerance test was performed as follows using pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice (Drp1 lox / lox ; RIP-Cre mice) and control mice (Drp1 lox / lox mice). As a result of this glucose tolerance test, remarkable glucose tolerance was observed in pancreatic β-cell specific Drp1-deficient mice.
まず各マウス(8週齢)を16時間絶食させた後、その尾静脈から採血し、その尾静脈血について血糖値及び血清インスリン値を予め測定した。続いて、2g/kg体重のグルコースをマウス腹腔内に投与した。グルコース投与から15分後、及び30分後に、それぞれ尾静脈から採血し、血糖値及びインスリン値を測定した。さらに引き続きグルコース投与の60分後、90分後、120分後にも尾静脈から採血し、血糖値を測定した。
First, each mouse (8 weeks old) was fasted for 16 hours, blood was collected from its tail vein, and blood glucose level and serum insulin level were measured in advance for the tail vein blood. Subsequently, 2 g / kg body weight of glucose was intraperitoneally administered to the mice. Blood was collected from the tail vein at 15 minutes and 30 minutes after glucose administration, and blood glucose level and insulin level were measured. Furthermore, blood was collected from the
その結果の一例を図12Aに示す。図12Aに示される通り、対照マウスでは15分値と30分値の間で有意差はなく通常は30分前後にピーク値が認められるが、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスでは、30分後以降も血糖値が急激に上昇し、120分経過後でもなお高い値で維持されていた(図12A、lox/lox RIP)。また、図12Bにその際の血中インスリン値を示したが、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスでは、対照マウスで認められるような糖負荷15分後のインスリン値の急上昇が見られず、対照マウスと比較してインスリン初期分泌の低下が見られた。図12Aに示されるような糖負荷後に特異的に生じる高血糖及びインスリン初期分泌の低下は、2型糖尿病に典型的なグルコース応答性インスリン分泌不全の症状と一致した。なお図12Aの0分値に示すように、空腹時血糖はDrp欠損マウスと対照マウスの間で有意差は見られなかった。
An example of the result is shown in FIG. 12A. As shown in FIG. 12A, in the control mouse, there is no significant difference between the 15-minute value and the 30-minute value, and a peak value is usually observed around 30 minutes, whereas in the pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mouse, after 30 minutes. Thereafter, the blood glucose level increased rapidly and was still maintained at a high level even after 120 minutes (FIG. 12A, lox / lox RIP). FIG. 12B shows the blood insulin level at that time. In the pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice, the insulin level was not rapidly increased 15 minutes after glucose loading as observed in the control mice. There was a decrease in early insulin secretion compared to mice. The decrease in hyperglycemia and early insulin secretion that specifically occurs after glucose loading as shown in FIG. 12A was consistent with the symptoms of glucose-responsive insulin secretion deficiency typical of
膵β細胞特異的Drp1欠損マウス及び対照マウスについては上記試験と並行して体重の測定も行った。膵β細胞特異的Drp1欠損マウスは、8週齢で既に耐糖能異常を示したが、8週齢の時点では対照マウスと比較して体重に有意差は認められなかった(図13A)。 For pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice and control mice, body weight was also measured in parallel with the above test. Pancreatic β-cell specific Drp1-deficient mice already showed impaired glucose tolerance at 8 weeks of age, but no significant difference in body weight was observed at 8 weeks of age compared to control mice (FIG. 13A).
また、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスの膵β細胞においてインスリン合成が確認された。具体的には、膵臓のパラフィン封埋切片をインスリン抗体を用いて染色したところ、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスの膵臓についても、対照マウス(野生型表現型)の膵臓とよく似た染色像が観察された。さらに、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスの膵臓の全切片を連続して観察し、膵臓ランゲルハンス島の面積を測定し、対照マウスと比較したところ両者間に有意差は見られなかった。以上のことから、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスにおいてもインスリン合成自体は正常に行われていることが分かった。さらに、対照マウスと膵β細胞特異的Drp1欠損マウス(KOマウス)の上記膵臓パラフィン封埋切片について、グルカゴン抗体を用いてインスリン抗体との二重染色を行うと、グルカゴン陽性α細胞はβ細胞を取り囲むように辺縁に存在し、これよりラ氏島の構築も正常にみられることが分かった(図13B)。 Moreover, insulin synthesis was confirmed in pancreatic β cells of pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice. Specifically, when a paraffin-embedded section of the pancreas was stained with an insulin antibody, the pancreas of a pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mouse also resembled the pancreas of a control mouse (wild-type phenotype). Was observed. Furthermore, pancreatic β-cell specific Drp1-deficient mouse pancreas sections were continuously observed, the area of pancreatic islets of Langerhans was measured, and no significant difference was found between them when compared with control mice. From the above, it was found that insulin synthesis itself was normally performed even in pancreatic β-cell specific Drp1-deficient mice. Furthermore, when the pancreatic paraffin-embedded sections of control mice and pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice (KO mice) were double-stained with insulin antibody using glucagon antibody, the glucagon-positive α cells became β cells. It was found that the island is located on the edge so as to surround it, and from this the construction of La Isle Island can be seen normally (FIG. 13B).
このように、膵β細胞特異的Drp1欠損マウスでは、膵β細胞自体は正常に形成されて膵臓のランゲルハンス島を構成しており、かつその膵β細胞においてインスリンが合成されていたにもかかわらず、耐糖能異常が認められた。従ってDrp1遺伝子は、膵β細胞でのミトコンドリアの形態形成、特にミトコンドリアの分裂の制御を介して、インスリン分泌機能に関与していることが示された。 In this way, in pancreatic β cell-specific Drp1-deficient mice, the pancreatic β cells themselves were normally formed to form the pancreatic islets of Langerhans, and insulin was synthesized in the pancreatic β cells. Abnormal glucose tolerance was observed. Thus, it was shown that the Drp1 gene is involved in insulin secretion function through regulation of mitochondrial morphogenesis in pancreatic β cells, especially mitochondrial division.
本発明に係るDrp1遺伝子の機能が組織特異的に欠損しているノックアウト非ヒト哺乳動物は、ミトコンドリア分裂不全と関連する各種の疾患状態、例えばグルコース応答性インスリン分泌不全、シナプス形成不全、又はそれらを伴う疾患のモデル動物として有利に使用することができる。このノックアウト非ヒト哺乳動物又はそれに由来するDrp1遺伝子の機能が組織特異的に欠損している細胞を用いた薬剤スクリーニング方法は、これまでミトコンドリア分裂不全との関連が知られていなかった疾患、例えば2型糖尿病や神経変性疾患に対し、従来とは全く異なる機構で作用する新規な治療薬を探索するために使用することができる。 The knockout non-human mammal in which the function of the Drp1 gene according to the present invention is tissue-specifically deficient is a variety of disease states associated with mitochondrial dysfunction such as glucose-responsive insulin secretion failure, synapse formation failure, or It can be advantageously used as a model animal of the accompanying disease. The drug screening method using the knockout non-human mammal or a cell in which the function of the Drp1 gene derived therefrom is tissue-specifically deleted has not been previously known to be associated with mitochondrial dysfunction, for example, 2 It can be used to search for novel therapeutic agents that act by a mechanism completely different from that of conventional diabetes mellitus and neurodegenerative diseases.
配列番号1はloxP配列である。 SEQ ID NO: 1 is a loxP sequence.
配列番号2〜4はプライマーである。 Sequence number 2-4 is a primer.
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