Nos1敲除小鼠构建技术原理
Nos1基因
该基因编码的蛋白质属于一氧化氮合酶家族，可从L-精氨酸合成一氧化氮。一氧化氮是一种反应性自由基，在包括神经传递、抗菌和抗肿瘤活性在内的多个过程中充当生物介质。在大脑和周围神经系统中，一氧化氮显示出神经递质的许多特性，并且与中风、神经退行性疾病相关的神经毒性、平滑肌的神经调节（包括蠕动）和阴茎勃起有关。NO又称为内皮舒张因子（EDRF），可以有效地扩张血管降低血压。在巨噬细胞中，NO介导杀肿瘤和杀菌作用，NO合成酶（NOS）抑制剂阻断这些作用的事实表明了这一点。
图1. （A）一氧化氮的合成；（B）一氧化氮合酶（NOS）亚型：神经元（NOS1/nNOS）、诱导型（NOS2/iNOS）和内皮型（NOS3/eNOS）。[1]
Nos1基因敲除小鼠表型
1 胃
有研究发现，无论喂食还是禁食，Nos1纯合敲除小鼠的胃都比野生型小鼠的胃大。Nos1纯合敲除小鼠胃的线性尺寸范围是野生型的1.5到3倍，胃是一个球体，这将对应于3到27倍的体积增加。在组织学检查中，胃层的结构似乎保留了下来。在胃开始膨胀的早期阶段，Nos1纯合敲除小鼠的胃和幽门的环形肌层肥大。随着小鼠年龄的增长，它们的胃会失去内部褶皱，并且胃壁会变薄。可以想象，胃出口梗阻本身会导致一些Nos1纯合敲除小鼠的过早死亡。小肠和大肠的其余部分看起来正常，没有扩张或阻塞的迹象。
图2. Nos1 -/-纯合敲除小鼠（左）和野生型对照小鼠（右）的胃。[2]
2 生殖
有研究表明，与野生型小鼠相比，Nos1纯合敲除的雄性和雌性成年小鼠的性腺重量（雄性>10周，雌性>6周）显着降低。野生型和Nos1纯合敲除小鼠卵巢的组织切片检查显示黄体数量显着减少。不同发育阶段的卵泡数量如表1所示。与野生型小鼠卵巢相比，Nos1纯合敲除小鼠的卵巢发育卵泡、前卵泡和窦卵泡的数量平均值均较低均较少，尽管这些差异没有达到统计学意义，但也表明Nos1纯合敲除小鼠存在排卵缺陷。另一方面，在雄性小鼠中，通过挤压尾附睾获得的精子计数表明Nos1纯合敲除小鼠的精子发生正常。
图3. 野生型与Nos1纯合敲除小鼠的性腺重量：Nos1纯合敲除小鼠的睾丸和卵巢的重量均显着降低。[3]
表1. 野生型和Nos1纯合敲除小鼠卵巢的卵泡计数。[3]
研究人员通过放射免疫分析 （RIA）测定血浆样品中的LH（促黄体激素）和 FSH（促卵泡激素）水平：Nos1纯合敲除雄性小鼠的血浆FSH降低，而雌性小鼠的血浆LH水平增加，下丘脑促性腺激素释放激素（GnRH）含量增加。通过手术将新生Nos1纯合敲除小鼠的卵巢移植到去除卵巢的成年野生型雌性小鼠的肾囊下，同时也将新生野生型小鼠的卵巢移植到去除卵巢的纯合敲除小鼠的肾囊下。八周后，杀死受体小鼠，对移植的组织进行组织学分析。结果显示移植导致卵巢表型的逆转：在野生型激素控制下，Nos1纯合敲除小鼠卵巢开始以接近正常的速率排卵，而在Nos1纯合敲除小鼠中，移植的野生型卵巢排卵接近静止。对此，一个合理的解释是存在一个Nos1介导的排卵调节机制。支持这一理论的是前下丘脑中存在密集的Nos1免疫反应性神经元网络，雌性纯合敲除Nos1小鼠的GnRH和LH水平发生变化，以及移植到WT小鼠后排卵率增加。但也必须考虑另一种解释：与生殖功能不直接相关的改变可能会阻止Nos1纯合敲除小鼠的卵巢发育。较低的体重、幽门狭窄和较高的死亡率都表明：一般健康受损，营养不良会导致排卵暂停。然而，Nos1纯合敲除小鼠正常的瘦素水平表明营养不良不太可能是排卵缺陷的原因。因此Nos1是正常的生殖功能中枢激素调节所必需的。
3 认知能力
有研究发现，缺乏Nos1基因的小鼠表现出多种行为异常：与野生型小鼠相比，雄性Nos1纯合敲除小鼠在居住-入侵模型和群体中表现出性行为的改变和攻击行为增加。与野生型小鼠相比，雌性Nos1纯合敲除小鼠表现出明显的母性攻击缺陷（在哺乳和养育幼鼠期间对入侵者的攻击）。此外，在光照条件下，野生型和纯合敲除小鼠的平衡和协调能力相当，但夜间纯合敲除小鼠的平衡和协调能力较差。
研究人员对3个月大的雄性Nos1纯合敲除小鼠通过Morris水迷宫 （MWM） 和多T迷宫（MTM） 研究认知功能。为了研究神经学和行为的影响，进行了一系列的观察性测试：旋转棒、高架迷宫（EPM）、开放场（OF）和社交互动测试。在Morris水迷宫的记忆和再学习任务中（压力条件），大多数纯合敲除小鼠都失败了，但在MTM 中表现更好。纯合敲除小鼠表现出梳理频率和进入OF中心的频率显著增加。触摸-逃脱反应、身体位置、运动、骨盆和尾部抬高以及发声减少的得分显著增加。在EPM中，在闭合臂上花费的时间和梳理频率显着增加，没有排尿。因此得出结论，纯合敲除小鼠在MWM中表现出空间表现受损，并证实了Nos1在记忆加工、维持和回忆等认知功能中的作用。但纯合敲除小鼠在MTM中表现良好，这是在低压力环境下；这一事实也表明，Nos1抑制仅影响压力条件下的认知功能。
表2. 认知测试。[4]
一氧化氮（NO）是一种气体神经递质，被认为在多个研究领域中发挥着重要作用。在神经生物学水平上，NO作为N-甲基-D-天冬氨酸受体的第二信使并与多巴胺能和血清素能系统相互作用。此外，NOSI基因与精神分裂症和双相情感障碍相关。NOS1对心肌梗死、学习和记忆、肌肉营养不良病理和动脉粥样硬化有保护作用。因此，一氧化氮是许多疾病发病机制中的一种候选分子，也是治疗其的潜在靶点。