发育液晶与人类疾病相关性研究以及肝脏液晶相关蛋白转基因小鼠的表型分析

发布时间：2018-05-30 20:11

  本文选题：生物液晶 + 胚胎发育　； 参考：《武汉大学》2009年博士论文

【摘要】：在1979,肯特大学液晶研究所的Brown GH和Wolken JJ发表了他们的著作《液晶与生物结构》,在此书中,他们系统的总结了当时液晶态在生物有机体内研究的全部进展,此书成为该领域的权威著作。在1978和1979年,液晶在鸡胚发育中存在的发现引起学术界的注意。该工作首次报道了在胚胎器官和组织发生中,液晶态大量分布与肝脏、卵黄囊、血液、肾脏(包括中肾和后肾)、大脑和小脑、以及其他大约二十余种发育中的器官和组织中。随后,在其他脊椎和非脊椎动物中,如鱼类、昆虫,也发现有类似的现象。随后,在将近二十余年里,虽然有一些零散的相关报道,但从整体上看该研究领域显得相当沉静。导致这种现象的主要原因不是对液晶的重要性有何置疑,而是没有人或研究工作知道如何将液晶这种物质第四态与现代生物学和生物医学知识,以及它们的分子生物学最新进展有机的联系起来。该领域中,以下问题随时会引起研究人员的注意。在脊椎各种生理过程中,液晶如何在细胞、组织以及器官中行使其功能?是否有任何疾病与液晶的有序性以及缺陷结构有关,这种有序性以及缺陷结构是否有可能衍生出表征或者预测这些人类疾病的生物标记?在生物起源,疾病的发生以及胚胎发育中,液晶是否以相同或相关的分子机制起作用?在这里,主要问题可能应该集中于它与分子生物学相关性。在正常和异常生物生理过程中,是否有任何基因与液晶的出现和消失直接相关,该基因的异常表达和突变是否与人类疾病相关?有没有或者说存不存在上选的动物模型,可用以探索以上问题。 近些年来,液晶方面的报道引起大家对一些相关课题重视，，如生命起源、器官形态发生、和人类疾病病,包括心血管疾病、眼疾病、肾脏疾病以及脑血管功能异常。2006年,液晶监控干细胞的报道引起公众的关注。2007年,Nakata等首次报道大约5-20碱基对的双链寡聚物在水境中可以形成近晶和柱形液晶,该发现提供了地球生物出现的连接性关键证据。2005年和2008年,Helary和Giraud-Guille揭示细胞外介质蛋白液晶三维培养系统触发血液干细胞向上皮细胞的分化。这里,将我们在液晶与鸟类胚胎发育的研究结果,以及肝脏液晶相关蛋白的发现和其转基因小鼠的表形特征与肝心疾病的相关研究,陈述于下。 (Ⅰ)肝脏液晶类脂滴的鸡胚发育过程中的原位分析和体外模拟该部分工作有望拓宽对人类肝酯蓄积症或脂肪肝疾病的理解,对该病的进一步的机理上的理解有助于研发新的诊断和治疗方法。使用X-射线衍射、小角X-射线散射和相变配合偏振光显微镜的方法,我们得到以下结论：(A)在鸟类胚胎发生过程中,肝脏液晶化是一个常规化的过程。我们的结果来源于对鸡、鸭、鸽、鹌鹑、泰和鸡以及野山鸡的分析研究。肝脏类脂滴的液晶化发生在胎胚发育的早期,之后,在肝脏细胞索上肝细胞内,随着胚胎的发育,液晶类脂滴将大量形成并蓄积直至晚期及孵化。在胚后发育的前两周至四周,肝脏液晶类脂滴将渐渐被吸收。(B)小角X-射线散射揭示肝脏液晶类脂滴的周期性重复间距分布于36至39A,在所有我们检测的鸟类胚胎肝脏中,小角X-射线散射数据均可以以直接解剖而得的新鲜肝脏组织上样而得。(C)X-射线衍射配合温度测量的方法证实,液晶态、结晶态和各相同性态中,两态之间的相变在以上所列的鸟类胚胎肝脏中均可检测。(D)基于鸡胚肝脏液晶类脂滴的成分分析,我们在体外构建了液晶类脂滴试验表明,模拟构建的液晶类脂滴具有所有以上描述的鸡胚肝脏液晶类脂滴的特性。 (Ⅱ)鸡胚胎发育中肾脏液晶类脂滴的特征性分析肾脏中肾后肾发育中液晶分析显示,液晶类脂滴非常相似于一种双折射颗粒,这种双折射颗粒已被作为诊断特征,用于评估Anderson-Fabry肾疾综合症的典型表型。这种疾病与溶酶体a-galactosidase A的缺陷或突变相关,是一种与位于X染色体Xq22.1基因疾病。通过使用偏振光显微镜和电镜分析,我们证实(A)液晶马尔它十字最早在胚胎发育第8天的中肾中发现,随后随着胚胎发育的进行,双折射颗粒的数量和太小都渐渐增加,这种变化会持续到发育的第13天。(B)在肾脏发育的后肾期间,液晶马尔它十字最早发现于第14天的后肾中。同样,随后随着胚胎发育的进行,双折射颗粒的数量和大小都渐渐增加。(C)超微结构分析证实,双折射颗粒呈典型的髓鞘小体结构,呈同心圆片层结构,位于近端肾小管的细胞质以及管腔内。在肾脏中肾和后肾中,组织及细胞定位相同。鸡胚胎发育中肾脏液晶类脂滴的结构形态和相变特征与Anderson-Fabry肾疾综合症的马尔它双折射颗粒的十分相似 (Ⅲ)鸡胚胎发育中,液晶类脂滴与钙的蓄积和储蓄在胚胎发生发育中,来自卵壳的钙的蓄积过程是鸡胚发育的不可缺少。在胚后发育中,特别是在早期胚后发育时,这种储蓄会逐渐释放,以供此初生幼小动物个体完善发育。在该部分工作中,我们证实,丰富的液晶类脂滴与碳酸钙同时并存与发育中的卵黄囊液中,这种并存揭示了液晶类脂滴在碳酸钙球霰石结晶过程中的潜在作用。我们提出的假想是,在钙的蓄积过程中,碳酸钙逐渐沉积与液晶类脂滴的脂片层上,沉积碳酸钙群最终形成霰石结晶。我们认为碳酸钙液晶片层沉积方式揭示了生物液晶结晶的分子机理,是鸟类胚胎发育中钙蓄积的主要方式。液晶结晶嵌合体的发现以及其结构的相变不同步性特性,为我们的假想提供了坚实的证据。在生物体中,碳酸钙方解石、霰石和球霰石广泛存在,在人类结石身体中结石里,碳酸钙结石也是其中一种。有趣的是,人类结石所常常出现的器官和组织,也常有液晶的存在,如肾脏、胆囊。显然,我们提出的碳酸钙液晶片层沉积方式,为理解结石症提供了重要的思考角度。另外,在碳酸钙介入的药物输送系统,能否将液晶概念引入其中而制备高效包装且缓慢释放的微囊输送方式也在探索中。 (Ⅳ) Alb-p37转基因小鼠揭示液晶相关的肝酯蓄积症或脂肪肝疾病,在高蛋白质饮食下,导致心脏肥大和心率不齐,为了探讨液晶态在脊椎动物发育过程中的作用,我们从第18天和初生鸡胚肝脏中分离了三个与液晶相关的蛋白,即为p37,p25和p18并将其与肝脏特异表达的驱动子A1b建立了肝脏特异表达的Alb-p37外源基因。通过胚胎靶向技术,以合子微注射方法得到了Alb-p37转基因小鼠。在这种小鼠的肝脏中,p37外源基因会额外表达,但在别的器官和组织却不会表达。通过组织化学分析、动物行为学分分析和其它相关分析,这种Alb-p37小鼠与其它非转基因小鼠没有任何区别。然而,我们意外发现,食谱会导致Alb-p37小鼠与其它非转基因小鼠的很大差别。与非转基因小鼠相比,在高蛋白质食谱下,这种转基因小鼠会在肝脏大小、身体重量和心脏大小上大大超过正常值。组织化学分析表示,转基因肝脏细胞在组织结构上明显变大,偏振光显微镜下出现液晶类脂滴。该结果显示,p37蛋白极有可能是导致肝酯蓄积症的关键蛋白,并且液晶态与其相关。 通过Alb-p37转基因小鼠对比与非转基因小鼠,通过组织化学分析、心脏功能分析(ECG)和ECG配合跑步测试,我们得到以下结论：(A)在正常饮食条件下,Alb-p37转基因小鼠没有任何可观察到的形态学和行为学异常;然而,高蛋白质饮食条件下,p37肝脏特异性表达直接导致肝脏的肥大,并伴随着肝细胞索上肝细胞内大量液晶态双折射的出现。(B)在Alb-p37转基因小鼠其它组织和包括心脏在内的其它器官中,均未发现液晶态的存在,也未发现细胞大小的明显变化。然而,高蛋白质饮食条件下,心脏大小和身体大小均有明显增加。这种明显增加是否因为心脏细胞数量有所增加,我们尚未作进一步的研究。(C)心脏大小和身体大小均有明显增加,我们发现Alb-p37转基因小鼠的心脏功能有明显异常。与其它非转基因小鼠或正常饮食条件下的转基因小鼠相比,心电图确证心率异常,心跳明显变慢。此表征定义为严重心率不齐或心率缓慢。(D)心率不齐或心率缓慢的Alb-p37转基因小鼠,在跑步机锻炼的情况下会发展成心脏猝死。导致心脏猝死的直接原因是,心率缓慢诱导的QRS复合峰早熟。
[Abstract]:In 1979 and 1979 , Brown GH and Wolken JJJ of the University of Kent ' s Liquid Crystal Institute published their work on liquid crystals and biological structures . In this book , they systematically summarize the progress of the liquid crystalline state in the biological organism . In the field , the following problems have attracted attention from the academic community . In this area , there are no human or research work on how to correlate liquid crystal molecules with modern biological and biomedical knowledge , and their molecular biology .


In recent years , recent reports of liquid crystal have focused on some related topics , such as life origin , organ morphology , and human disease , including cardiovascular disease , ocular diseases , kidney disease and cerebrovascular function abnormalities . In 2006 , the report of liquid crystal monitoring stem cells attracted public attention . In 2007 , Nakata et al . reported that extracellular mediator protein liquid crystal three - dimensional culture system triggered the differentiation of blood stem cells into epithelial cells . In 2005 and 2008 , Helary and Giraud - Guille revealed that extracellular mediator protein liquid crystal three - dimensional culture system triggered the differentiation of blood stem cells into epithelial cells .


( 1 ) In situ analysis and in vitro simulation of liver liquid crystal lipid droplets are expected to broaden understanding of human liver ester accumulation or fatty liver disease .


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本文编号：1956620