賽業生物《每周一鼠》欄目，每周五更新，為大家講解一個小鼠模型的故事，希望對大家了解不同的疾病小鼠模型有所幫助。今天和大家見面的是Per2基因編輯小鼠。

PER2與睡眠時相前移綜合征
2017年，因發現控制晝夜節律，即生物鐘的分子機制而被授予諾貝爾生理學或醫學獎的三位科學家（杰弗里·霍爾, 邁克爾·羅斯巴什以及邁克爾·楊）的系列工作，使節律生物學成為一個廣闊而充滿活力的研究領域，為人類的健康和幸福帶來了深遠的影響。

關于這三位獲獎者對生物鐘基因的研究，要從一個早睡早起的家族說起。這個家族成員總在晚上6、7點就睡覺，凌晨3、4點就起床。這和大部分人的生活習慣很不一樣。研究發現這是由PER2基因發生突變而導致的。PER2是Period基因家族的成員，在哺乳動物大腦的主要晝夜節律起搏器-視交叉上核中以晝夜節律模式表達。

PER2基因突變導致的這種睡眠障礙叫做睡眠時相前移綜合征，是一種睡眠時間和警覺高峰期相對于社會時鐘提前幾個小時的疾病。患有此癥的人通常很難保持清醒，除非他們很早就睡覺，因為他們的內部時鐘已經處于相對安靜的狀態，并且很早就醒來，在早上被認為是“正常”的時間，無法重新入睡，因為他們的內部時鐘已經產生了強烈的警報信號。個人是“早起的百靈鳥”，睡眠、體溫和褪黑激素節律提前 4 小時左右。

睡眠質量不會因該綜合癥而受損，但如果患者推遲就寢時間，可能會導致睡眠時間短。盡管如此，患有此癥的人并沒有報告該綜合癥影響他們白天的工作或學校活動。他們最常見的抱怨是，由于需要比正常情況早得多的睡眠時間，他們晚上的活動被縮短了，這會影響家庭和社會關系。患有此綜合癥的人在下午晚些時候和晚上開車時應該小心，因為他們可能太困了，他們也不能很好地適應晚上或夜班。

睡眠時相前移綜合征在一般人群中的流行情況尚不清楚，但它在老年人中最為普遍。睡眠時相前移綜合征在男性和女性中發病率相同。研究人員還發現了一種強有力的基因聯系: 該疾病具有很強的家族傾向，40-50%的受影響個體的親屬患有此癥，這是一種常染色體顯性遺傳特征。

PER2與腫瘤
PER2是Period基因家族的成員，該基因的多態性可能會增加患某些癌癥的風險。目前研究證明：PER1和PER2在胃癌、結腸癌、頭頸鱗癌、非小細胞肺癌、胰腺癌、前列腺癌、慢性淋巴細胞白血病、黑色素瘤、肝細胞癌和乳腺癌等癌癥中表達顯著下調。PER3在結直腸癌、頭頸鱗癌、非小細胞肺癌、胰腺癌和肝細胞癌等癌癥中表達顯著下調。這表明PER2對正常功能是不可或缺的，而PER2表達水平的降低會促進腫瘤進展。

Per2基因敲除小鼠表型
晝夜節律行為^[1]
有研究將純合敲除小鼠及其野生型和雜合同窩仔單獨安置在晝夜節律活動監測室中。對每只動物的輪跑活動進行監測，這是對嚙齒動物晝夜節律活動的精確測量的一種方式。小鼠最初在12小時光照/12小時黑暗（LD12:12，或LD）循環中保持10天以建立夾帶，隨后保持在恒定黑暗（DD）中。在黑暗中22天后，將動物暴露在6小時的光脈沖下，隨后在黑暗中再保持11天。野生型小鼠表現出對 LD 周期的精確夾帶，并且在持續的黑暗中，它們建立了一個周期略小于24小時的晝夜節律。

純合敲除小鼠的第一個表型是短晝夜節律:
在DD開始或光脈沖之后，純合小鼠通常表現出數天的短周期。當晝夜節律在活動記錄上看起來穩定時，通過對時間間隔的x2周期圖分析計算周期長度。野生型對照的平均時間為23.7±0:4 h。相比之下，純合突變體小鼠的平均周期為 22.1±0:4 h。雜合突變體的穩定期平均為 23.6±0:4 h ，這與它們的野生型同窩仔沒有顯著差異。因此，純合突變體表現出明顯短于其野生型兄弟姐妹的時期。

名詞解釋：夾帶是內部生物鐘節律（包括其相位和周期）與外部時間線索（例如自然暗光周期）的同步或對準。

圖1. 小鼠代表性運動活動記錄

純合敲除小鼠的第二個表型是在持續的黑暗中喪失持續的晝夜節律:
由純合突變體表現的短時期之后是晝夜節律的喪失。單個純合突變體失去其晝夜節律所需的時間各不相同，根據活動圖的評估，大部分時間在2到18天之間。為了量化晝夜節律，在持續黑暗的第1-10天（第一個間隔）和第6-15天（第二個間隔）對三種基因型進行了傅立葉周期圖分析。對于野生型小鼠，第一個和第二個間隔的晝夜節律峰值幅度的對數平均值分別為2.72±0.14和2.80±0.17，雜合子小鼠分別是：2.85±0.08和 2.88±0.07，對于純合突變體則分別是：2.19±0.30和1.80±0.35。對來自沒有明顯晝夜節律的純合突變體的活性數據的傅立葉分析證實了晝夜節律峰的喪失，但檢測到了4-8小時的周期性。
 

圖2. 小鼠周期性的傅立葉分析

腫瘤抑制^[2]
有研究表明新生的純合Per2敲除小鼠在形態上是正常的。6個月大時的組織學檢查大多數器官系統未發現異常，但純合敲除的雄性和雌性開始表現出唾液腺增生和畸胎瘤，主要是雄性的表皮。到12個月大時，所有純合敲除小鼠都表現出唾液腺增生，所有雄性純合敲除小鼠在生殖器區域周圍都出現了畸胎瘤。此外，所研究的純合敲除小鼠中有30%在16個月大之前死亡。病理分析表明，15%的純合敲除小鼠死于淋巴瘤。純合敲除小鼠的瘤形成頻率與野生型小鼠顯著不同。因此，純合敲除小鼠易患癌癥。
 

圖3. Per2敲除的增生生長和輻射誘導淋巴瘤

在8周齡時，對野生型和純合突變小鼠在授時因子10(ZT10)時單次給予4Gy的全身γ輻射，并監測疾病和存活情況。在照射后12周時，50%的純合突變小鼠觀察到頭發變白。照射后22周時，所有受照射的純合突變小鼠均出現白發，其中30%的小鼠背部或頸部和嘴巴周圍也出現大面積脫發。受照射的純合突變小鼠也表現出更早的增生性生長。照射后7個月，所有受照射的雄性純合突變小鼠均觀察到畸胎瘤。
 

圖4. 突變小鼠對γ輻射的敏感性增加

Per2基因不僅對維持和調節生物晝夜節律具有重要作用，Per2基因的表達和節律異常改變與癌癥的發生發展密切相關。對Per2基因與腫瘤發生發展的深入研究有可能為預防和治療癌癥提供新的方法和有效靶標。

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參考文獻：

1. Zheng, B., Larkin, D., Albrecht, U. et al. The mPer2 gene encodes a functional component of the mammalian circadian clock. Nature 400, 169–173 (1999). https://doi.org/10.1038/22118

2. Fu L, Pelicano H, Liu J, Huang P, Lee C. The circadian gene Period2 plays an important role in tumor suppression and DNA damage response in vivo. Cell. 2002 Oct 4;111(1):41-50. doi: 10.1016/s0092-8674(02)00961-3. Erratum in: Cell 2002 Dec 27;111(7):1055. PMID: 12372299.