組織特異的ノックアウトマウスとは、対象となる遺伝子が「フロックス化」され、特定の組織内の特定の細胞型においてのみ不活性化される(コンディショナル)動物モデルを指す。その他の細胞型や組織では、改変されていない機能的な遺伝子発現が認められる。

この遺伝子の不活性化は、組織または細胞型特異的なCreデリターマウス系統を用いた追加の交配ステップによって達成される。このようなモデルを用いることで、全身(構成的)ノックアウトも実現できる。

用途

学術研究については:

  • 特定の臓器、組織、または細胞種における遺伝子の機能を研究する
  • 特定の細胞型における遺伝子の不活性化または欠損によって引き起こされる病態を模倣する
  • 多機能タンパク質について、組織特異的な表現型を確立する

バイオ医薬品の研究開発において:

  • 細胞特異的な機能を持つ標的遺伝子の検証
  • 特定の細胞型におけるシグナル伝達経路を解明する
  • 安全性に関する研究

組織特異的ノックアウトマウスモデルの強み

  • 非常に柔軟性が高く、別の組織の研究へ簡単に切り替え可能
  • デルーターマウス(CreまたはFLP)の豊富なリソースにより、組織特異性の組み合わせがほぼ無限に可能
  • このようなモデルから得られた科学的データの高い生理学的妥当性
  • 比較研究のために、構成型ノックアウトへのアクセスも可能にする

組織特異的ノックアウトマウスモデルの限界

  • マウス系統の作製には、転写やスプライシングの制御を乱す可能性のある外来配列(lox、FRT)の挿入が必要となる
    → 詳細なバイオインフォマティクス、遺伝学、および文献解析を行うことで、リスクを大幅に低減することができる
  • ある細胞型における対象遺伝子の不活性化は、細胞型の分化過程で生じることがあり、その結果、表現型の異常や細胞生理機能の変化をもたらすことがある
    → この制限は、次のような条件を適用することで回避できる 時間特異的な遺伝子不活性化
  • 組織特異性を確保するためには、デレーターマウス系統との交配ステップが必要となり、これによりコホートの作成に多大な時間を要する
    → この「時間」の問題は、モデル開発に先立つ科学的なコンサルティングにおいて、あらかじめ見越して考慮に組み込む必要がある

事例研究

クローン病(CD)のモデル

Tschurtschenthaler M 他.ATG16L1を介したIRE1αの除去機能不全がクローン病様回腸炎を引き起こす。 J Exp Med. 2017.

セリアック病(CD)の主要なリスク多型であるATG16L1T300Aは、オートファジーの障害を引き起こすが、これがどのようにしてセリアック病の発症リスクを高めるのかについては、依然として明らかになっていない。

モデル:腸上皮細胞(IEC)において Atg16l1を欠損したマウス(Atg16l1ΔIEC)は、ATG16L1T300Aのホモ接合体であるヒトで観察される回腸型CDと類似した表現型を示す。

目的: ATG16L1依存性オートファジーの機能障害が、回腸の炎症を引き起こすメカニズムの解明。

結果:IECにおけるオートファジーの機能不全は、小胞体(ER)ストレス時にERストレスセンサーであるIRE1αの凝集体が適切に除去されなくなることを介して、CD回腸炎の発症リスクを高める。
Atg16l1ΔIECマウスでは、特殊な腸上皮細胞であるパネト細胞にIRE1αが蓄積し、ATG16L1T300Aのホモ接合体であるヒトにおいても、腸上皮陰窩においてIRE1αの相応な増加が認められる。

図1. 生後35週齢のAtg16l1ΔIECマウスでは、小胞体(ER)ストレスの増強および全層性CD様回腸炎が認められる。

図1 - Atg16l1ΔIECマウス

A-B)生後35週齢のAtg16l1ΔIECマウスの代表的なH&E染色画像(B)および腸炎の組織学的スコア(C)。

図2. 生後35週のAtg16l1ΔIECマウスおよびATG16L1T300A患者において、IRE1αの発現が増加しており、これがCD様回腸炎を引き起こしている。

図2a - Atg16l1ΔIECマウス

A) 生後10週および35週のAtg16l1ΔIECマウスにおけるIRE1αの免疫反応性(緑色;白い矢印)を示す代表的な 共焦点顕微鏡画像。

図2b - Atg16l1ΔIECマウス

B)健常対照群(n = 9/22/12)およびCD患者の非炎症性粘膜(n = 9/15/7)において、ATG16L1のリスク対立遺伝子(AA/AG/GG;A:健常対立遺伝子、G:リスク対立遺伝子)別に層別化したIRE1αの代表的な免疫反応性(緑色)

C) Bに示すIRE1α陽性クリプトの定量 。健常対照群(n = 9/22/12)およびCD患者(n = 9/15/7)において、ATG16L1遺伝子型(n = 18/37/19)ごとに分類した。

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