肺缺“盾”、肝积“毒”：SERPINA1人源化小鼠解码AATD
SERPINA1：一"因"致双器官发病的特殊蛋白
SERPINA1：一"因"致双器官发病的特殊蛋白
Alpha-1抗胰蛋白酶缺乏症（Alpha-1 Antitrypsin Deficiency, AATD）是一种由SERPINA1基因突变引起的遗传性疾病，呈常染色体隐性遗传。AATD在欧洲血统个体中更为常见，而在亚洲血统及其他背景个体中则相对较少见。据估计，在欧洲，每2000至5000名新生儿中就有1人患有纯合PI*ZZ AATD。全球范围内估计有超过300万人携带与严重AATD相关的等位基因组合[1]。
SERPINA1基因编码Alpha-1抗胰蛋白酶（Alpha-1 Antitrypsin, AAT），是丝氨酸蛋白酶抑制剂超家族的成员之一，主要由肝细胞合成并分泌入血。AAT的核心生理功能是抑制中性粒细胞来源的弹性蛋白酶活性，保护肺实质免受蛋白水解损伤、维持肺组织弹性；同时，AAT还是重要的急性期反应蛋白，通过抗炎和免疫调节作用参与固有与适应性免疫应答的调控[2]。
大多数人的SERPINA1基因有两个野生型等位基因，其基因型记为Pi*MM。迄今已报道100多种AAT变异型，根据其编码蛋白质在电场中迁移速度的快慢分为不同组别。野生型等位基因Pi*M表示迁移速度中等，而Pi*F、Pi*S和Pi*Z分别代表迁移速度快、慢和极慢的变异型。其中，Pi*Z（E342K,，成熟蛋白中第342位谷氨酸被赖氨酸取代）和Pi*S（E264V，成熟蛋白中第264位谷氨酸被缬氨酸取代）是最常见的AATD致病等位基因[3]。
图1. 典型的AATD基因型、其患病率、AAT血清水平及成人肝纤维化/肝硬化风险[4]
E264V突变在前体蛋白中对应第366位谷氨酸替换为赖氨酸（E366K），该突变可诱导AAT构象改变，促进其在肝细胞内质网中形成有序聚合物，导致ER潴留、ER应激和细胞死亡。纯合PI*ZZ个体血清AAT水平降至正常的10%~15%，临床上因蛋白酶-抗蛋白酶失衡表现为早发性肺气肿和慢性阻塞性肺疾病（COPD）。与此同时，聚合物在肝细胞内蓄积可驱动进行性肝纤维化和肝硬化，并显著增加肝细胞癌风险[5]。
目前AATD的治疗手段包括AAT补充疗法和肝移植，小分子伴侣、RNA干扰、基因治疗等新兴策略正在开发中，但针对AATD相关肝病的获批药物仍十分有限。
图2. AATD中PI*Z突变导致肝细胞内聚合物蓄积与肺气肿发生的机制[2]
AATD药物研发面临的核心挑战在于：疾病由人SERPINA1的特定突变（PI*Z/E342K）直接驱动——肝细胞内人AAT聚合物的形成与蓄积是肝损伤的根源，而"循环AAT不足"导致的肺气肿则依赖于人AAT的蛋白酶抑制功能及其在肺部的分布。普通小鼠携带的是鼠源SERPINA1，其序列与折叠行为与人AAT存在差异，难以真实复现PI*ZZ患者的"聚合物蓄积—肝损伤"与"抗蛋白酶不足—肺气肿"双重病理。
南模生物自主研发的hSERPINA1-E366K(2)人源化敲入小鼠模型（NM-HU-252173），在保留小鼠自身调控元件的前提下，将小鼠Serpina1基因替换为携带E366K（PI*Z）突变的人源SERPINA1的CDS序列（3’UTR也为人源序列），可同时模拟AATD的肝病与肺病表型，为靶向AATD治疗药物的临床前评价提供了理想平台。南模生物从mRNA、蛋白、肝功能和肺病理多个层面进行了系统验证，该模型表现出以下特征：
转录水平及突变序列确认：RT-PCR和qPCR结果显示，小鼠Serpina1 mRNA仅在野生型C57BL/6小鼠中检测到，人SERPINA1 mRNA仅在纯合hSERPINA1-E366K(2)小鼠中检测到；对RT-PCR产物进行测序证实纯合小鼠中存在目标E366K突变（图3）。
图3. 野生型（WT）小鼠和纯合（HO）hSERPINA1-E366K(2)小鼠肝组织中（A）hSERPINA1和（B）mSerpina1的mRNA表达和（C）RT-PCR产物的测序。
人源AAT低水平表达：ELISA结果显示，人SERPINA1蛋白可在纯合hSERPINA1-E366K(2)小鼠的血清、肝脏和肺组织中检出；血清hSERPINA1水平在雌、雄小鼠中均显著低于人血浆水平，复现了PI*ZZ患者循环AAT严重不足的特征（图4）。
图4. WT小鼠和hSERPINA1-E366K(2)小鼠血清（A）、肝组织（B）和肺组织（C）中的人SERPINA1蛋白的水平。
肝脏ER应激与肝损伤趋势：qPCR结果显示，雄性hSERPINA1-E366K(2)小鼠肝脏中ER应激标志物Ddit3 mRNA表达呈升高趋势；生化检测显示雄性小鼠血清ALT和AST水平呈升高趋势，提示突变型AAT在肝细胞内的聚合物蓄积已启动ER应激与肝细胞损伤进程（图5）。
图5. WT小鼠和hSERPINA1-E366K(2)小鼠肝组织中Xbp1s、Atf4和Ddit3 mRNA的表达（A-B）和血生化肝功指标水平（C-F）。
显著肺损伤表型：肺组织病理分析显示，纯合hSERPINA1-E366K(2)小鼠出现显著的肺损伤，表现为轻度肺间质炎性细胞浸润伴肺实质增厚、肺泡融合与重塑、肺泡腔扩大融合及肺泡壁破坏，并伴有支气管上皮增生，与AATD患者肺气肿的病理特征高度吻合（图6）。
图6. WT小鼠和hSERPINA1-E366K(2)小鼠（雄/雌）肺组织代表性H/E染色病理切片（A）和肺组织病理评分（B）。
南模生物的hSERPINA1-E366K(2)人源化敲入小鼠实现了携带PI*Z（E366K）突变的人源SERPINA1种属特异性表达，模型呈现了AATD的核心病理特征：循环AAT不足相关的肺气肿样肺损伤，高度模拟人类PI*ZZ患者的疾病进程。该模型不仅可用于小分子伴侣、RNA干扰、基因治疗等AATD创新疗法的临床前药效与安全性评价，也为SERPINA1相关肝病与肺病的发病机制研究提供了强有力的动物平台。
SERPINA1靶点相关模型
SERPINA1靶点相关模型
参考文献：
[1] Marzi L, Ferrarotti I, Benini F, et al. Alpha-1 antitrypsin deficiency-associated liver disease: A review focusing on new assessment tools and therapies[J]. Journal of Liver Transplantation, 2025, 19: 100287.
[2] Greene C M, Marciniak S J, Teckman J, et al. α1-Antitrypsin deficiency[J]. Nature reviews Disease primers, 2016, 2(1): 16051.
[3] Strnad P, McElvaney N G, Lomas D A. Alpha1-antitrypsin deficiency[J]. New England Journal of Medicine, 2020, 382(15): 1443-1455.
[4] https://www.hepatologytextbook.com/book/chapter_10.4.php#02.
[5] Erion D M, Liu L Y, Brown C R, et al. Editing approaches to treat alpha-1 antitrypsin deficiency[J]. Chest, 2025, 167(2): 444-452.
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上海南方模式生物科技股份有限公司（Shanghai Model Organisms Center, Inc.，简称"南模生物"），成立于2000年9月，是一家上交所科创板上市高科技生物公司（股票代码：688265），始终以编辑基因、解码生命为己任，专注于模式生物领域，打造了以基因修饰动物模型研发为核心，涵盖多物种模型构建、饲养繁育、表型分析、药物临床前评价等多个技术平台，致力于为全球高校、科研院所、制药企业等客户提供全方位、一体化的基因修饰动物模型产品解决方案。
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