验动物遗传质量与监测

<一>实验动物遗传学概念

     实验动物遗传是本学科的重要内容,它主要是揭示并按需要改变和维持实验动物特定的遗传结构,从而减少或避免遗传因素对实验结果的干扰,甚至通过改变实验动物的遗传结构,使某些特定实验能顺利开展。要求实验动物来源清楚,遗传背景明确。很多生命科学的研究,要求实验动物的遗传结构有较高的同一性、稳定性和纯合度。这就提出了实验动物的遗传质量和监测的问题。目前,实验动物就其遗传结构、同一性和纯合度等方面,已培育出众多不同品种和品系的动物,如近交系、突变系、封闭群等等。 上世纪 50年代,学术界确认了实验动物遗传的基因型、表现型和演出型的关系模式.

     动物的基因型(染色体、基因、DNA及其构象)在发育环境的作用下,产生某种表现型(蛋白质、新陈代谢特征和动物形态),在周围(生活)环境的作用下,则导致不同的演出型(即生物反应现象)的产生。

        现在我们可见的各种实验动物的生物学特性,只是它们遗传演出型的表现。要获得稳定的、可重复的演出型,应对动物自身(遗传繁育、性别、年龄等)和环境条件(气候、理化因子、营养和微生物等)加以控制并经常监测。人们通过这些控制和监测,培育出遗传结构(即从基因型到演出型)符合各种实验研究需要的实验动物,并用遗传控制和监测的手段予以维持,使实验动物具有较高的遗传质量,从而保证动物实验的准确性和科学性。

二 > 近交系动物

   近交系的培育及其特点

     实验动物在兄妹交配20代以上,又可以追溯到一对共同亲代的,有时也可以亲子交配,并需与年轻一方的亲代交配,而形成的品系,一般称之为近交系。目前,主要是在大鼠和小鼠中育成近交系的品系。

   近交系动物主要有如下的特点:

  • 基因纯合性,在一个近交系内的所有动物的基因位点都应当是纯合子,在本品系内任何个体交配的后代也应当是纯合子,即基因型一致,遗传特性相同。从理论上说,这些动物是不应有暗藏的隐性基因的,用近交系动物做实验时,不会因为隐性基因的暴露而影响实验结果的一致性。
  • 遗传物质同源性,是指同一个近交系中的所有个体在遗传上是同源的,可追溯到一对共同的祖先。同一品系内的个体间的皮肤或肿瘤移植不会被当作异己来排斥,各个体间的基因位点,及位点的分型是完全一致的。
  • 表现型的一致性,由于上述的特点,近交系动物任何可遗传的体征都应是一致的,如生理、生化以及组织学、形态学上的特征(毛色、体重等),甚至行为的类型都趋于一致。如果说,在个体间有时会出现一些差异,也只可能是后天环境不同一而造成的。这一特点保证了动物实验数据在统计学上的意义。
  • 遗传稳定性和反应敏感性,近交系是由近亲交配 20 代以上育成的,遗传性是稳定的。近交系被确认后,只要坚持近交,并不断监测,基因变异的机率是很低的。由于近交系动物的遗传是高度纯合的,对外部各种因素(包括试验因子)的影响,反应高度敏感。这类动物有如高精密度的天平,外界微小的变化,天平就会摆动。
  • 遗传特征的可辩别性,在同一近交系中,不应存在遗传多态现象。在绝大多数近交系中主要的遗传位点已有了分型,通过遗传检测可以对动物的品系进行辩认,有利于对品系遗传纯合性的维持。

     此外,各个近交系都有各自的遗传独特性,并且各种近交系在各国实验室已被广泛地采用。因而,可以根据实验的需要,利有它们各自独特的遗传特性,实验动物结果也可以类比和交流。

近交系的类型和命名

    近交系育成后,由于机率很低的基因突变、环境因素的改变,或由人工有目的的培育,可形成近交系中的亚系和支系。为了建立各种人类疾病的动物模型,为了适应各种科学实验的特殊需要,人们用近交系的培育方法,培育出特殊类型的近交品系。

    目前,已育成有众多特殊类型的近交系:

  • 同源近交系,目前有两种,一是具有特定突变基因的动物,与一已知近交系反复交配数代,除突变基因外,其他的基因组成与已知近交系相同,称之为同源突变近交系 ; 二是将某一特定基因导入某一近交系中,除导入的基因外,其他基因组成与该近交系相同,称之为同源导入近交系。
  • 分离或重组近交系,由两个无亲缘的近交系动物交配,后代进行亲子交配,使基因群可能出现分离或重组,前者称为分离近交系,后者称为重组近交系。
  • 遗传工程产生的新型品系,使用细胞嵌合技术,雌核发育技术等遗传工程技术,可以培育出一些有特殊用途的新型品系。如使两个不同近交系的早期胚胎粘合,形成嵌合胚胎,经胚胎移植产出后代,称为嵌合体小鼠。又如,用两个不同的近交系交配,产出的早期受精卵,取出雄性原核,使雌性原核加倍为二倍体,然后用胚胎移植技术产出后代。被称为单亲纯合双倍体动物,具有母本的纯合性状。

    近交系的命名国际上已经规范,是根据动物的来源、培育经过等,以字母和数字来表示。品系的名称用大写英文字母表示并列在前边,也有用数字作品系代码。如:A、CBA、C3H 或615、129等。品系名称后有/的,表示是这一品系的亚系,一般在/后标有亚系的代码、育成人或机构的缩写,如,A/N、A/He等。有些还标上培育的方法,如,代乳(f),卵移植(e)等。DBA/1fLACA/Lac,DBA为该近交系的名称,1为亚系代码,f表示代乳,LACA是代乳母鼠的品系名称,Lacd是培育单位---英国实验动物中心。

近交系的应用

   由于近交系具有良好的、适合实验要求的遗传特性,被用在众多的实验领域,而且可减少每批次实验的动物用量,容易获得有统计学意义的实验数据。它们是胚胎学、生理学、遗传学研究的理想材料,也用于药效试验、安全评价等的动物实验。进行组织或肿瘤移植实验时,制作某些有遗传因素的人类疾病的动物模型时,近交系是必不可少的材料。

<三>封闭群动物

封闭群动物的培育

    在不从外部引入新血缘的条件下,以非近亲交配的方式,至少连续繁殖4代以上的一个种群动物,可称之为封闭群动物。如,昆明小鼠、SD大鼠等。培育封闭群实验动物的关健是至少5年内不从外部引入任何新的基因,同时群体内作随机交配,不让群体内原有基因丢失,以保持群体内的一定杂合性,同时使群体的遗传性相对稳定。

    封闭群动物个体间差异的大小,取决于祖代的来源。若来源于近交系的繁殖群,但群内不按兄妹近亲交配,而用随机交配的方式保种并繁殖生产;另一类是来源于非近交系动物群体,前者个体间差异小,后者差异大。

    由于封闭群动物培育,长期不引入新的血缘,虽然群内作随机交配繁殖,但“近亲系数”仍会逐渐上升,为了防止“近亲系数”上升过快,要求群体数量不能过小,国际实验动物科学委员会规定,封闭群动物每代的“近交系数”递增不能超过1%,要求群体内具有生殖力的所有个体都能自由参与交配繁殖,符合有效群体的要求。

特点及其应用

     封闭群动物在遗传上具有一定的杂合性,因而这类动物繁殖力高,适应能力强,保种及繁殖生产的成本较低,应用范围广。与近交系相比,封闭群动物的个体在遗传上仍存在相当的差异,因此实验的可重复性,及反应的一致性就不如近交系动物。但是,封闭群动物在实验中,却有比近交系更接近自然种群反应的特点。所以在实际中,封闭群动物被广泛地应用于教学、预实验、一般的药物初筛、以及毒性、安全性评价试验之中。

<四>突变系动物

     由自然突变,或经人工诱导,使动物正常染色体上的基因发生突变,动物表现出某种遗传缺陷,或某种特异的遗传性状的动物被称为突变系动物。如,裸鼠、糖尿病大鼠等。

      在细胞学上可见的染色体数目或形态发生改变的,称为染色体畸变;另一种是在细胞学上观察不到的基因突变或点突变。在习惯上,突变系动物主要是指发生后一种的变异的动物。遗传物质发生突变,主要有如下几种情况:

  • 可见突变,动物发生了可由肉眼观察到的变异。如,基本没有被毛及胸腺发育不全的裸小鼠、裸大鼠等。
  • 生化突变,动物的某一生化功能发生改变,甚至丧失。如严重联合免疫缺陷小鼠。
  • 致死性或条件致死性突变,致死性突变有显性和隐性两种,如镰状红细胞贫血症就是隐性致死性突变。也有一些致死性突变,在某种条件下动物可以存活,缺乏这种条件动物则会致死。

    突变系动物主要应用于:

  • 遗传机制的研究,如作染色体的基因定位等 ;
  • 人类疾病的动物模型,是这类型动物的最主要的应用领域。有些突变使动物的免疫系统功能改变,有的使内分泌系统、心血管系统功能发生改变。从而为医学生物学研究,提供了在实验动物身上复制各种人类疾病并加以研究的可能。
  • 突变系动物还可以用于其他的领域,如,利用免疫缺陷动物作环境质量监测等。

<五>系统杂交动物

    两个近交系动物之间,进行有计划的交配,其繁殖的第一代,称系统杂交动物,有时也包括回交一代的动物。由于其个体的杂合性比较一致,致使其遗传型和表现型都比较一致。系统杂交动物一般不作继续繁殖和近交系的培育,避免在子二代之后,出现遗传性状的分离。

    系统杂交动物一般有如下特点:

  • 具有杂交优势,生命力强,表现为适应性和抗病力强,繁殖力高,没有近交系那种近交衰退的现象 ;
  • 具有与近交系动物相类似的遗传均质性,因而动物试验的可重复性好 ;
  • 国内、外广泛采用,分布广,研究结果便于类比和交流。

    系统杂交动物被广泛地应用作各个领域动物实验的材料。尤其是在生物医学的实验研究中有特别的用途。如,杂交一代小鼠是研究外周血干细胞的重要材料,近交系NZB与NZW的杂交一代是研究自身免疫缺陷的动物模型,用杂交一代小鼠作单克隆抗体的研究,可获得比用近交系动物更好的效果。

<六>实验动物的遗传质量监测

遗传质量监测的意义

     实验动物的遗传监测,就是为了保证动物的品种、品系的遗传质量与标准一致,并使之在长期的繁殖生产中遗传质量保持稳定不变。

    目前,实验动物的品系已达数千个之多,在培育、保种,及繁殖生产中,都有严格的要求,但由于影响遗传变异的因素很多,在动物的培育、保种和繁殖、升产过程中,仍然存在着发生遗传变异或遗传污染的可能。对于新引进的动物,或新导入的品系,更需要摸清其遗传概貌。因此,建立遗传质量监测手段,对确保实验动物的遗传质量是必不可少的。

遗传质量监测常用的技术与方法

  •   形态学方法,包括有毛色基因测试法和下颌骨测量法等常用的方法。与其他方法相比,形态学的监测方法操作简便,费用低廉,不需要使用专门的仪器设备,实用性强,但精确度低。
  • 生化技术,目前常用的方法是醋酸纤维薄膜、淀粉凝胶、聚丙烯酰胺胶等为支持物的电泳方法,依据电泳染色谱带上的生化位点表型,确定品系的遗传纯度,并可区分不同的品系。
  • 免疫学技术,在免疫系统中,起主要作用的 T 及 B 细胞膜上有许多糖蛋白,血清中也有补体和免疫球蛋白,都可以作为遗传标记物,用血清学的方法加以应用。应用于近交系动物遗传监测的免疫学技术,一般有血凝试验、细胞毒试验和免疫双扩散技术等。皮肤移植技术是通过同系异体皮肤移植成功与否,来确定它们的组织相容性抗原是否同一,是目前测定近交系遗传质量的重要方法之一。移植的部位有背部、耳部、尾部等。

    上述方法主要用于对近交系动物的遗传检测,对封闭群等动物,一般是通过数量性状观察为主的监测,来实现对其遗传质量的监控。数量性状主要包括:种群的基本形态,如,体重、毛色、体型等;血生理常数,如,白细胞、红细胞、血红蛋白等;生殖生理数据,如,性周期、怀孕期、胎产仔数等。也可采同下颌骨测量或辅以生化、免疫等技术,来实现对其遗传质量的监控。