【每周一鼠】阿尔茨海默病及发育异常疾病等多方面研究模型——Gsk3b基因敲除小鼠
Gsk3b基因编码糖原合成酶激酶-3β（glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β）。GSK-3β是一种多功能丝氨酸/苏氨酸激酶，属于糖原合酶激酶亚家族，它是葡萄糖稳态的负调节因子，参与能量代谢、炎症、内质网应激、线粒体功能障碍和凋亡途径。与该基因相关的疾病主要有帕金森病和阿尔茨海默病等。
赛业生物《每周一鼠》，每周五更新，为大家讲解一个小鼠模型的故事，希望对大家了解不同的小鼠模型有所帮助。今天和大家见面的是Gsk3b基因敲除小鼠。
Gsk3b基因简介
Gsk3b基因位于小鼠的16号染色体上，该基因编码GSK-3β。GSK-3β普遍存在于哺乳动物真核细胞中，是PI3K/Akt信号通路的关键下游蛋白，Akt可以磷酸化GSK-3β的Ser9，并抑制其酶活性，从而降低血糖。除去最早发现的调控糖原合成酶（glycogen synthase，GS）的活性外，Gsk3b基因编码的蛋白GSK-3β还能作用于众多信号蛋白、结构蛋白和转录因子，调节细胞的分化、增殖、存活和凋亡，在能量代谢、体型发育和神经细胞发育过程中起重要作用。
此外，GSK-3β可以调节G1/S-特异性周期蛋白-D1（Cyclin D1）的蛋白降解和细胞内定位，磷酸化β-连环蛋白（β-catenin）并调控Wnt信号通路。同时，在癌症、神经退行性疾病、神经精神类疾病等多种重大疾病的研究中，选择GSK-3β作为治疗靶点，受到越来越多研究者的重视。
Gsk3b基因的纯合敲除小鼠表现出妊娠中期胚胎死亡或新生儿死亡，当小鼠在新生儿期死亡时，会出现腭裂和胸骨裂。Gsk3b基因在成年小鼠的大脑（RPKM8.1)、甲状腺（RPKM5.7）等27个组织中普遍表达。Gsk3b基因的突变与阿尔茨海默症、输卵管浆液性腺癌、动脉瘤性骨囊肿、精神分裂症1等疾病有关，其相关途径包括PI3K/Akt信号通路和巨噬细胞的CCR5途径。
图1 Gsk3b基因相关信息
来源：RDDC罕见病数据中心
（https://rddc.tsinghua-gd.org/details/gene?gene=2ZqQ3m）
Gsk3b基因敲除小鼠模型的应用
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大脑
Gsk3b基因编码的GSK-3β是一种组成型活性激酶，在大脑中高度富集，可磷酸化代谢酶、信号蛋白、结构蛋白和转录因子[1]。神经原纤维缠结（neurofibrillary tangles, NFTs）是神经退行性疾病的神经病理学标志，由高度磷酸化的Tau蛋白组成。GSK-3β是与NFTs中形成高度磷酸化Tau蛋白的相关酶，参与了包括阿尔茨海默病（AD）在内的神经退行性疾病的NFTs形成和神经元损失[2-3]。为了研究GSK-3β在成人大脑中的正常功能，研究人员利用同源重组技术，建立了Gsk3b基因敲除小鼠模型，并分析了杂合子GSK-3β敲除（GSK+/-）小鼠形成记忆的能力。
图2 Gsk3b基因敲除小鼠模型的建立[4]
在莫里斯水迷宫测试中，训练前三天内GSK+/-小鼠的学习和记忆表现与野生型（WT）小鼠没有区别。但随着训练的继续，GSK+/-小鼠的逆行性失忆被诱发，这表明其形成长期记忆的能力可能受损。在情境恐惧调节测试中，情境记忆在GSK+/-小鼠中被正常巩固，但原始记忆被重新激活后，GSK+/-小鼠就会表现出冻结状态，这表明其记忆再巩固能力可能受损；同时，在WT小鼠记忆重新激活后，其大脑中GSK-3β被激活，但在记忆重新激活前，腹腔注射GSK-3抑制剂会损害其记忆再巩固，这表明记忆的重新巩固需要GSK-3β在大脑中激活。
以上结果表明，GSK-3β在成人大脑的记忆维持中具有重要作用，会影响记忆维持系统，例如记忆巩固和/或重新巩固，同时GSK-3β可能在记忆巩固过程中被激活，并且在重新巩固过程中可能需要额外激活GSK-3β。（赛业可提供同类型Gsk3b敲除模型，产品编号：S-KO-10896）
2
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上颚
β-catenin介导的Wnt信号通路涉及各种组织和器官的发育，包括颅面结构[5]。在小鼠胚胎发育过程中，Gsk-3β对于上颚形成至关重要，Gsk-3β在调节胚胎干细胞系中的Wnt/βcatenin信号传导中发挥冗余功能[6]。Gsk-3β突变杂合子的小鼠看起来正常且有生育能力，但通过Gsk3b+/-小鼠之间的杂交获得的Gsk3b-/-小鼠表现出完全的腭裂缺陷并在出生后24小时内死亡。为了确定Gsk-3β在腭发生过程中的组织特异性需求，研究人员建立了Gsk3b基因条件性敲除小鼠模型。
图3 Gsk3b基因条件性敲除小鼠模型的建立[7]
研究人员在腭上皮和间充质中检测到Gsk3β表达，同时对Gsk3b-/-小鼠多个阶段的腭部发育进行组织学分析。与野生型对照组相比，Gsk3b-/-小鼠腭架发育异常（图4）。由于主要在腭上皮和间充质中检测到Gsk3β表达，选择使用两个已建立的转基因系Pitx2Cre和Osr2Cre在发育中的腭中，以组织特异性方式终止Gsk3β功能。Osr2Cre;Gsk3βF/F小鼠在出生后存活并显示出正常的上颚形成。相比之下，在检查的14只Pitx2Cre;Gsk3βF/F小鼠中，11只表现出完全的二级腭裂，表现出Gsk3β-/-小鼠的缺陷。Pitx2Cre;Gsk3βF/F胚胎的组织学检查显示，直到E13.5，腭架的发育没有表现出任何畸形。然而，在E14.5，与Gsk3β-/-小鼠中发现的缺陷相似，Pitx2Cre;Gsk3βF/F腭架未能升高。虽然前腭架确实在E18.5升高，但后腭架保持在垂直位置。这些结果表明，在腭发育过程中，腭上皮需要Gsk3β功能，并且Gsk3β作用于腭上皮以控制腭架抬高。
图4 Gsk-3β的上皮失活导致腭裂形成[7]
此外，对野生型对照组小鼠和Gsk3b-/-小鼠的E12.5和E13.5腭架进行BrdU标记和TUNEL测定后，与野生型对照组相比，Gsk3b-/-小鼠的上皮细胞增殖率在E12.5处显著增加，在E13.5处显著降低，同时腭上皮中的凋亡细胞显著增加，均表明Gsk-3β与腭发生过程中细胞增殖和存活的调节有关。
以上结果表明，Gsk3b基因编码的Gsk-3β是上皮细胞中上颚升高所需的一种内在调节因子，其能够调节上颚发育。（赛业可提供同类型Gsk3b基因条件性敲除模型，产品编号：S-CKO-12182）
总结
与Gsk3b基因相关的疾病有多种，包括阿尔茨海默症、输卵管浆液性腺癌、动脉瘤性骨囊肿、精神分裂症1等。Gsk3b基因编码的Gsk-3β作用于众多信号蛋白、结构蛋白和转录因子，调节细胞的分化、增殖、存活和凋亡，在能量代谢、体型发育和神经细胞发育过程中起重要作用。Gsk3b基因敲除小鼠可用于帕金森病和阿尔茨海默病等神经性退行性疾病以及骨骼发育的研究，具有广泛的科研意义。
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Gsk3b条件性基因敲除小鼠
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品系名称：
C57BL/6J-Gsk3bem1(flox)Cya
品系编号：
CKOCMP-56637-Gsk3b-B6J-VA
产品编号：
S-CKO-12182
应用方向：
❖ 行为/神经
❖ 细胞分化/细胞组成
❖ 颅面相关研究等
打靶方案：
Gsk3b条件性基因敲除小鼠打靶方案示意图
Gsk3b基因敲除小鼠
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C57BL/6J-Gsk3bem1Cya
品系编号：
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参考文献：
[1] Grimes C A , Jope R S . The multifaceted roles of glycogen synthase kinase 3beta in cellular signaling.[J]. Progress in Neurobiology, 2001, 65(4):391-426.
[2] Takashima A . GSK-3 is essential in the pathogenesis of Alzheimer's disease.[J]. Journal of Alzheimers Disease, 2006, 9(3 Suppl):309-317.
[3]F Hernández, Borrell J , Guaza C , et al. Spatial learning deficit in transgenic mice that conditionally over-express GSK-3beta in the brain but do not form tau filaments.[J]. Journal of Neurochemistry, 2010, 83(6):1529-1533.
[4] Tetsuya K , Shunji Y , Shinobu N , et al. GSK-3β Is Required for Memory Reconsolidation in Adult Brain[J]. PLoS ONE, 2008, 3(10):e3540-.
[5] Hoeflich K P , Luo J , Rubie E A , et al. Requirement for glycogen synthase kinase-3beta in cell survival and NF-kappaB activation.[J]. Nature, 2000, 406(6791):86-90.
[6] Frame S , Cohen P . GSK3 takes centre stage more than 20 years after its discovery[J]. Biochemical Journal, 2001, 359(1):1-16.
[7] He F , Popkie A P , Xiong W , et al. Gsk3β is required in the epithelium for palatal elevation in mice[J]. Developmental Dynamics, 2010, 239(12).
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