アルツハイマー病研究に最適なトランスジェニック動物モデルとは？
アルツハイマー病（AD）という疾患について考えるとき、映画やテレビドラマで描かれる感情的な場面を思い浮かべるかもしれません。しかし実際のADは、それ以上に深刻であり、「愛を忘れ、あなたを忘れてしまう」といったトレンド話題からもその厳しさがうかがえます。
現在、アルツハイマー病に対して承認された薬剤は、病状の進行を遅らせる効果がありません。前回の「神経疾患研究」シリーズでは、老化モデル、Aβ誘導モデル、およびゲノム編集（＝トランスジェニック）技術を用いた動物モデルの構築について紹介しました。これらは疾患の病理的特徴を模倣し、病態の解明に貢献しています（ここをクリックして再確認）。本稿では、遺伝子改変法に焦点を当て、代表的なアルツハイマー病用トランスジェニック動物モデルについて紹介します：
- アルツハイマー病（AD）のトランスジェニックマウスモデル：APP/PS1、Tg2576など；
- アルツハイマー病（AD）のトランスジェニックラットモデル：App NL-G-F；
- その他の神経疾患用マウスモデル。
アルツハイマー病（AD）の遺伝子編集マウスモデル
現在、AD用の遺伝子編集マウスモデルの構築は、主にヒトのAD関連遺伝子をマウスゲノムにトランスジェニック導入する方法が用いられています。代表的なマウスモデルには、APP/PS1、Tg2576、3xTg-AD、5xFADが含まれます[1]。
APP/PS1モデル
APP/PS1モデルは、ヒトAPPおよびPSEN1遺伝子（2つのヒト変異部位：APP K670_M671delinsNL［スウェーデン型］およびPSEN1: deltaE9）をアミロイドタンパク質プロモーターで駆動し、マウスゲノムに導入するモデルです。このマウスモデルは、年齢に伴う脳内Aβ発現の進行的増加とアミロイド斑の蓄積を示します。
生後4か月頃から皮質にアミロイド斑が観察され、6か月頃には海馬にも出現します[2]。脳領域ごとのアミロイド斑の蓄積量には差があり、皮質での密度が海馬および扁桃体よりも高い傾向があります[3]。モーリス水迷路テストによる認知機能障害は、6～10か月齢で検出され、年齢とともに悪化します[4]。
Tg2576モデル
Tg2576モデルは、ヒトAPP遺伝子（1つのヒト変異部位：APP K670_M671delinsNL［スウェーデン型］）をハムスタープリオンプロモーターで駆動し、マウスゲノムに導入するモデルです。このモデルは、年齢に伴う脳内Aβ発現およびアミロイド斑の進行的増加を示します。
生後4.5か月頃に、海馬CA1領域で樹状突起の減少が観察されます[6]。一部の研究では、6か月齢未満で学習能力、文脈的恐怖条件付け、作業記憶の障害が報告されていますが、初期には認知機能は正常です。認知障害は12か月齢以降に進行的に出現し[7]、11～13か月齢で脳内に大量のAβ斑が蓄積します[8]。
3xTg-ADモデル
3xTg-ADモデルは、ヒトAPP、PSEN1、MAPT遺伝子（3つの変異部位：APPスウェーデン型、MAPT P301L、PSEN1 M146V）をマウスゲノムに導入するモデルです。
このモデルは、年齢に伴う進行的アミロイド斑の蓄積と、タウタンパク質の異常凝集によって形成される神経線維状糸様小体（neurofibrillary tangles）を示します。6か月齢では皮質に細胞外Aβの蓄積が認められ、12か月齢では広範囲に拡大します。同時に、タウタンパク質の異常凝集による明確な神経線維状糸様小体が形成されます。学習および認知機能障害は、3～6か月齢の間に観察されます[9-10]。
5xFADモデル
5xFADモデルは、ヒトAPPおよびPSEN1遺伝子（5つの変異部位：APP K670_M671delinsNL［スウェーデン型］、APP I716V［フロリダ型］、APP V717I［ロンドン型］、PSEN1 M146L（A>C）、PSEN1 L286V）をマウスゲノムに導入するモデルです。このモデルは、年齢に伴う脳内Aβ発現およびアミロイド斑の進行的増加を示します。
生後2～4か月齢で早期にアミロイド斑の病理的特徴が現れ、海馬、皮質、視床、脊髄など広範囲にわたって分布します[11-13]。学習および認知能力、作業記憶の障害は、6～12か月齢頃に観察されます[7]。
アルツハイマー病（AD）の遺伝子編集ラットモデル
多くのマウスモデルではAβタンパク質の蓄積は観察できますが、ヒトADの他の病理的特徴、たとえばタウタンパク質の異常リン酸化によって引き起こされる神経線維状糸様小体は再現されません。そのため、一部の研究者らはラットモデルに注目を移しました。マウスと比較して、ラットのAD関連遺伝子（例：MAPT）はヒトと比較的類似した多型を示し、また体サイズが大きく、希少サンプル（例：脳脊髄液）の手術的採取が容易であるという利点があります。
App NL-G-Fノックインラットモデル
2021年、清华大学の著名神経科学者・盧白教授らの研究チームは、世界初の包括的なヒトADを模倣するラットモデル「App NL-G-Fモデル」を開発しました。このモデルは、APPタンパク質およびその断片の脳内発現レベルを変化させることなく、3つのヒト家族性変異（スウェーデン型、イベリア型、アーチック型）を保持しています。他のモデルと比較して、このモデルはヒトと類似した病理および疾患進行を示しており、現在までに唯一、ヒト化APP変異をラットゲノムに導入するだけで、Aβ蓄積とタウ関連の病理的表現型を両方とも再現できるロデントモデルです。
ヘテロ接合体ラットでは、生後1か月頃からAβ蓄積が検出され、年齢とともに進行します。女性ラットの病理進行速度は男性より速い傾向にあります。野生型ラットと比較して、App NL-G-Fラットは脳重量の減少、海馬および皮質の神経細胞喪失、脳室拡大を示し、ヒトAD患者と類似しています。これは、脳室拡大が初めて報告された例です。12か月齢では、ヘテロ接合体ラットの海馬神経細胞は野生型に比べ30％減少し、脳重量は9％低下しています。50か月齢では、それぞれ16％および22％の差が拡大します。学習および認知機能障害は5～7か月齢に観察され、6か月齢以降でタウタンパク質のリン酸化レベルが上昇し、12か月齢以降でタウタンパク質の凝集が確認されます。
App NL-G-Fラットにおける病理的特徴の時間的分布[14]
神経疾患研究に適したマウスモデルの推奨
アルツハイマー病に加え、ハンチントン病や筋萎縮性側索硬化症（ALS）といった神経変性疾患の治療法開発も依然として困難です。研究者のニーズに応えるため、Cyagenは神経疾患の研究を支援するためのトランスジェニック動物および遺伝子編集マウスモデルを多数開発しました。これらのモデルは、神経薬理学実験の検証を加速するものです。カスタムモデルおよび共同開発モデルも提供しており、遺伝子ノックアウト（KO）、遺伝子ノックイン（KI）、点突然変異（PM）、ヒト化マウスモデル、および手術由来疾患モデルを含みます。
| 神経疾患 | 関連遺伝子 | ターゲットタイプ |
|---|---|---|
| アルツハイマー病 | App/Psen1 | PM |
| App | KI | |
| Trem2 | PM、KO | |
| パーキンソン病 | Snca | PM、ヒト化 |
| Lrrk2 | PM | |
| 筋萎縮性側索硬化症 | Sod1 | KO、CKO、PM |
| Fus | KO、CKO、ヒト化（WT、PM） | |
| Tardbp | ヒト化 | |
| ハンチントン病 | Htt | KI |
| 不安障害 | Rgs2 | KO、CKO |
| 自閉症 | Tbx1 | CKO |
| Shank3 | KO、CKO | |
| Cacna1C | KO、CKO | |
| Cntnap2 | KO、CKO | |
| うつ病 | Slc18A2 | CKO |
| Psmd1 | KO、CKO | |
| Tph2 | KO、CKO | |
| 小脳性運動失調症 | Atxn3 | ヒト化 |
| 前頭側頭型認知症 | Mapt | ヒト化 |
| 脊髄性筋萎縮症 | Smn1 | ヒト化 |
| Smn2 | KI |
参考文献：
[1]Kosel F , Pelley J , Franklin T B . Behavioural and psychological symptoms of dementia in mouse models of Alzheimer's disease-related pathology[J]. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 2020, 112:634-647.
[2]Minkeviciene R, Ihalainen J, Malm T, Matilainen O, Keksa-Goldsteine V, Goldsteins G, Iivonen H, Leguit N, Glennon J, Koistinaho J, Banerjee P, Tanila H. Age-related decrease in stimulated glutamate release and vesicular glutamate transporters in APP/PS1 transgenic and wild-type mice. J Neurochem. 2008 May;105(3):584-94. PubMed.
[3]Minkeviciene R, Rheims S, Dobszay MB, Zilberter M, Hartikainen J, Fülöp L, Penke B, Zilberter Y, Harkany T, Pitkänen A, Tanila H. Amyloid beta-induced neuronal hyperexcitability triggers progressive epilepsy. J Neurosci. 2009 Mar 18;29(11):3453-62. PubMed.
[4]Minkeviciene R, Ihalainen J, Malm T, Matilainen O, Keksa-Goldsteine V, Goldsteins G, Iivonen H, Leguit N, Glennon J, Koistinaho J, Banerjee P, Tanila H. Age-related decrease in stimulated glutamate release and vesicular glutamate transporters in APP/PS1 transgenic and wild-type mice. J Neurochem. 2008 May;105(3):584-94. PubMed.
[5]https://www.jax.org/strain/005864
[6]Lanz TA, Carter DB, Merchant KM. Dendritic spine loss in the hippocampus of young PDAPP and Tg2576 mice and its prevention by the ApoE2 genotype. Neurobiol Dis. 2003 Aug;13(3):246-53. PubMed.
[7]Spires-Jones T , Knafo S . Spines, Plasticity, and Cognition in Alzheimer's Model Mice[J]. Neural Plasticity,2012,(2011-11-28), 2011, 2012(2090-5904):319836.
[8]Irizarry MC, McNamara M, Fedorchak K, Hsiao K, Hyman BT. APPSw transgenic mice develop age-related A beta deposits and neuropil abnormalities, but no neuronal loss in CA1. J Neuropathol Exp Neurol. 1997 Sep;56(9):965-73. PubMed.
[9]Billings LM, Oddo S, Green KN, McGaugh JL, LaFerla FM. Intraneuronal Abeta causes the onset of early Alzheimer's disease-related cognitive deficits in transgenic mice. Neuron. 2005 Mar 3;45(5):675-88. PubMed.
[10]Billings LM, Oddo S, Green KN, McGaugh JL, LaFerla FM. Intraneuronal Abeta causes the onset of early Alzheimer's disease-related cognitive deficits in transgenic mice. Neuron. 2005 Mar 3;45(5):675-88. PubMed.
[11]Richard BC, Kurdakova A, Baches S, Bayer TA, Weggen S, Wirths O. Gene Dosage Dependent Aggravation of the Neurological Phenotype in the 5XFAD Mouse Model of Alzheimer's Disease. J Alzheimers Dis. 2015;45(4):1223-36. PubMed.
[12]Jawhar S, Trawicka A, Jenneckens C, Bayer TA, Wirths O. Motor deficits, neuron loss, and reduced anxiety coinciding with axonal degeneration and intraneuronal Aβ aggregation in the 5XFAD mouse model of Alzheimer's disease. Neurobiol Aging. 2012 Jan;33(1):196.e29-40. PubMed.
[13]Giannoni P, Arango-Lievano M, Neves ID, Rousset MC, Baranger K, Rivera S, Jeanneteau F, Claeysen S, Marchi N. Cerebrovascular pathology during the progression of experimental Alzheimer's disease. Neurobiol Dis. 2016 Apr;88:107-17. Epub 2016 Jan 8 PubMed.
[14]Pang K, Jiang R, Zhang W, Yang Z, Li LL, Shimozawa M, Tambaro S, Mayer J, Zhang B, Li M, Wang J, Liu H, Yang A, Chen X, Liu J, Winblad B, Han H, Jiang T, Wang W, Nilsson P, Guo W, Lu B. An App knock-in rat model for Alzheimer's disease exhibiting Aβ and tau pathologies, neuronal death and cognitive impairments. Cell Res. 2022 Feb;32(2):157-175. Epub 2021 Nov 17 PubMed.
