遗传与遗传质量控制.ppt

第四章 实验动物的遗传与遗传质量控制,第一节 封闭群实验动物第二节 近交系实验动物第三节 杂交代动物第四节 实验动物的遗传质量监测,第一节 封闭群实验动物,一 基本概念二 封闭群实验动物的命名三 封闭群实验动物的特点四 封闭群实验动物的遗传控制方法五 封闭群实验动物的应用,返回,一 基本概念,国际实验动物科学委员会(International council on Laboratory Animal Science，ICLAS)规定：“以非近亲交配方式进行繁殖生长的一个种群，在不从外部引入新的血缘条件下，至少连续繁殖4代以上称封闭群(Closed colony)。”我国制定的哺乳类实验动物遗传标准也对封闭群动物进行了类似的规定。,二 封闭群实验动物的命名,由于历史原因已广泛使用的保留原名称，如：Wistar大鼠、Km小鼠等；新动物应该用24个大写罗马字母进行命名，并在名称之前加上有1个大写字母和13个小写字母构成的培育者或保持者的符号，此符号与本品种名称用冒号隔开，如：N：NIH是由美国国立卫生研究院保存的NIH小鼠，Han：NMRI是由德国实验动物繁殖中心研究所保存的NMRI小鼠。,返回,三 封闭群实验动物的特点,1.生活力、生育力和适应性均比较强 封闭群实验动物避开了近亲交配，其基因库能保持相当程度的杂合性，从而避免了近交衰退的出现，产仔多、胎间隔短、仔鼠死亡率低、生长快、成熟早、对疾病抵抗力强、寿命长、可以大量生产繁殖。2.容易管理 封闭群实验动物饲养繁殖时如种群比较大的话，就无需详细记录系谱，成本低，可大量供应。因而广泛应用于预试验、学生教学和一般实验中。,特点（续）,3.能保持本品种特性 由于封闭群不从群外引种，本品种特性经过世世代代的培育以后，能稳定的遗传给下一代，只要不与群外杂交，就不至于被破坏，使用部门可以将这些特性作为重要的实验参考依据。同时，封闭群可携带大量的隐性有害突变基因，可用于估计群体对自发和诱发突变的遗传负荷能力。,特点（续2）,4.存在个体差异 各个体之间对外来刺激的反应虽然不尽相同，但同一群体一般平均水平却有一定的稳定性，因此个体的差异可以用动物的数量进行弥补，动物的使用量越多，组与组之间的差异就越小。这与人群的特点有很多相似之处，因此，用封闭群实验动物当作人的替身，进行各种实验，可以得出比较理想的结果。,返回,四 封闭群实验动物的遗传控制方法,1分组随机留种、循环交叉配对的方式2各家系等量留种、交叉或互换交配的方式3封闭群实验动物群体隔离的防止,返回,1分组随机留种、循环交叉配对的方式,本方式适用于大鼠、小鼠、地鼠、鸡、鸽等小动物。(1)留种数量 在这里我们引用两个公式：,随机留种、循环交叉配对（续）,式中e为群体的有效含量值，为纯合系数上升率。为雄性种动物数,为雌性种动物数。,随机留种、循环交叉配对（续2）,根据以上两个公式，可以计算出当纯合系数上升率等于时，群体的有效含量值为50。同时可以计算出在随机留种的前题下，不同雌雄比例的种群，在纯合系数上升率等于或小于1%，该封闭群体的最小规模(表42)。,表 42 封闭群实验动物分组随机留种时不同配对比例所需最少动物数,随机留种、循环交叉配对（续3）,(2)交配方式 在组合下一代配对时，有规律地把不同组的雌雄种子进行交叉,如图41(以组为例，分别以、表示)。例如要组成A组的下一代亲本时，它的雄性种储选自B组，而雌性种储选自E组，其他组依次类推。,图41 分组随机留种交叉配对配种图,亲本 下一代 亲本,返回,2各家系等量留种、交叉或互换交配的方式,该方式适用于兔、犬、猪、猴、马、牛、羊等中大体形的动物。()留种数量 分组各家系等量留种时，群体有效含量的计算公式为：,表43 各家系等量留种时不同雌雄比所需种储数,利用公式、可以计算出各家系等量留种时,不同雌雄比所需种储数如表43。,等量留种、交叉或互换交配（续）,(2)留种及交配方式 要保证每一繁殖单元都有一只雄性后裔作为下一代的亲本，并且各繁殖单元留下的雌性种储参与下一代亲本的数量也相等。最少要有10个家系才能有效地控制近交的发生率，留的雄种(家系)愈多，近交系数的上升率就愈小。,等量留种、交叉或互换交配（续2）,在组成下一代亲本时，具体做法可以将所留的雄种在原家系不动，调换另一家系的雌种与之交配。如F1从邻组，F2从隔组，F3从再隔组调入雌种，以此类推。如只有10头雄性种储分成10个家系，可将每5个家系组成一个大组。每组的F1从相邻家系调入雌种，F2从相隔家系调入雌种，F3两个大组间互换雌种，F4同F1。如此周而复始(如图4 2)。,图42 封闭群等量留种交叉配种图,返回,为防止群体隔离，封闭群实验动物的饲养方式、环境、饲料及营养要求应有一个统一的规定。采取由一处(核心群)提供种子，交叉后再分到各处去随机交配生产的方式（备注）。非育种场的子代全部供实验用，不能留种。其组织方法如图43。,3封闭群实验动物群体隔离的防止,图43 封闭群实验动物防止群体隔离的组织方法,返回,五 封闭群实验动物的应用,封闭群实验动物是我国目前应用得最广泛，从数量上看也远远超过近交系的实验动物，主要应用在：1教学实验；2药物筛选和急慢性毒理试验；3药理学和药代动力学的试验；4某些抗肿瘤药物研究的预试验；5保存某些突变基因。,返回,第二节 近交系实验动物,一 基本概念二 近交系实验动物的命名三 近交系实验动物的特性四 近交系实验动物的应用五 近交系的遗传控制组织方法,返回,一 基本概念,1.近交2.近交系实验动物3.亚系4.支系,返回,1.近交,近交即近亲繁殖，是指血缘关系极为相近的个体之间或遗传组成极相似的个体之间进行的交配繁殖，是培育近交系动物的必需手段。通过近交使一个群体内的基因型达到接近完全纯合的程度，即所有的同源染色体的相对位置都具有相同基因的状态。因此，通过同胞兄妹或亲子交配可以较快获得近交品系动物。近交可以降低杂合性，可以将群体分离为不同的品系，然而近交的结果也必将出现近交衰退。,返回,2.近交系实验动物,近交系实验动物是指使用亲子或兄妹交配20代以上，近交系数达到98.6以上，品系内所有个体都可追溯到起源于第20代或以后代数的共同祖 先的一个实验动物群体。,近交系概念（续）,对于小鼠和大鼠来说这种近交是比较严格的。但是对于其他不同物种的动物特别是那些中、大型的，世代间隔比较长的动物，一般情况下“近交系”的名称仅仅说明了该品系内遗传差异性降低了。这些品系近交代数在各繁殖线上虽然少于20代，但是只要该系的某一条繁殖线上所有个体间的异体植皮获得成功。就能使用“近交系”这个名称。,返回,3.亚系,育成近交系可能由于突变和残余杂合基因而导致部分遗传组成的改变，从而形成亚系。下面几种情况可视为亚系：同一品系在兄妹交配40代之前发生分离，很可能由于残余杂合性而导致形成亚系。同一品系的各条繁殖线之间长期处于分离状态(100代以上)，可能由于基因突变而形成亚系。已发现有遗传差异的品系。遗传污染常使近交系遗传组成发生巨大变化。一旦发生遗传污染，通常要给与淘汰处理。,返回,4.支系,当饲养环境改变，或对动物进行某些技术性处理时，有可能对某些生物学特性产生影响。这些特征可能是遗传性的，也可能是非遗传性的。因此，有必要对这一类品系(亚系)进行区分。下列情况可视为支系(Subline)：,支系（续）,引种到另一实验室。经过某种技术处理：代奶(Foster nursing,f)；受精卵或胚胎移植(Egg or embryo transfer,e)；人工喂养(Hand-rearing,h)；卵巢移植(Ovary transplant,o)；冷冻保存(Freeze preservation,p)；人工代奶(Foster on hand-rearing,fh)等。,返回,二 近交系实验动物的命名,用4个英文字母为首，与数字相结合的加以命名，如要指示兄妹交配的代数可在其后面加括号，在括号内用大写英文字母F加上数字表示。例如NZB(F95)和C3H(F130)。,返回,近交系的命名（续）,为了方便书写，常用的近交系规定了统一的缩写，如：近交系名称 缩写名称C57BL/6 B6BALB/c CDBA/2 D2C3H C3CBA CB,近交系的命名（亚系）,亚系的命名：在品系名称后加斜线(/)号，再加上数字和培育者名称缩写，或者以数字开头与缩写同时使用。例如:A/He(F87)是指近交到87代由Heston培育的A品系的亚系。C57BL/6J(F118)是由Jackson laboratory培育的C57BL品系的6J亚系的第118代。,近交系的命名（保存支系）,保存在不同地方的支系命名：引种到另一地方保种，就在品系(亚系)名称后面加双斜线号，再加上保种者名称缩写。如:C57BL/6J/Lac是由英国实验动物中心(Lac)维持的C57BL/6J小鼠的支系。通常培育者和保持者名称缩写由一个大写字母后接13个小写字母构成。也可不加双斜号而写成C57BL/6JLac。,近交系的命名（技术支系）,如果品系经过某些技术上的处理，则应该用小写英文字母作为相应的符号来表示。通常的表示方法：f表示代奶；e表示受精卵或胚胎移植；o表示卵巢移植；p表示精子冷冻保存；h表示人工喂养；fh表示人工代奶。例如C3HfC57BL表示由C57BL代奶的C3H品系，通常也可简写为C3HfB6,B6是C57BL/6的缩写。C57BL/6peCBA/H表示C57BL/6的受精卵(胚胎)经过冷冻保存后，移植到CBA/H怀孕代奶而培育出来的。,近交系的命名（悉生品系）,如果已知某品系携带(或经人工接种)，或者经过净化去除某一种垂直感染的病毒，在有必要指明的情况下，可在品系名称后面加连字号，再加大写病毒符号，再加“+”或“-”符号。例如C3H/HeMTV+和C3H/HeMTV-分别表示C3H/He品系中有、无乳腺肿瘤病毒(Mammary tumour virus，MTV)。,返回,三 近交系实验动物的特性,1同基因性2均一性3长期的遗传稳定性4个体性和可分辨性5背景资料和数据较为完善,返回,1同基因性,同基因性(Isogenicity)(同和性)(Homozygosity)在一个近交体系内所有动物的所有基因位点都应该是纯合子，个体之间在遗传上是同源的，基因型完全一致，在这些动物中没有暗藏的隐性基因，因此在同一体系内动物个体间进行皮肤和肿瘤移植不被当作异己而被排斥。,返回,2均一性和敏感性,均一性(Uniformity)由于近交系动物是相同基因型的动物，因而表现的遗传体征都完全一致，例如血型和组织型，形态学的特征(体重、毛色等)，甚至行为的类型也趋于一致。某些个体的差异可能是由于环境的不均一所造成，这一敏感性类似精密天平，对外界任何微小的变化都会发生摆动。使用动物的数量可以大量减少。,返回,3长期的遗传稳定性,长期的遗传稳定性(Long term genetic stability)近交系动物在遗传上具有高度稳定性，人为选择不会改变其基因型，个体遗传变异仅发生在少量残留杂合基因和基因突变上，而这种机率非常低。如果品系在被确认为近交系后坚持近交，同时辅以遗传监测。及时的发现和清除遗传变异的动物，近交系动物中各品系遗传特征可世代相传。,返回,4个体性和可分辨性,个体性(Individuality)和可分辨性(Identification)几乎每一个近交品系都建立了遗传概貌(Genetic profile)。掌握了遗传基因监测方法，可以轻而易举地将混合在一起的个外貌近似的品系或个体分辨出来。,返回,5背景资料和数据较为完善,由于近交系动物在培育和保种的过程中都有详细记录，加之这些动物分布广泛，经常使用，已有相当数量的文献记载着各个体系的生物学特征。这些基本数据对于设计新的实验和解释实验结果提供了便利条件。,返回,四 近交系实验动物的应用,1肿瘤的研究 2遗传疾病研究3遗传学研究4实验比较5保存基因6研究遗传与影响因素的关系7重组近交系的特殊应用,返回,1肿瘤的研究,肿瘤的研究 许多近交系具有一定的肿瘤发病率，并可以使许多肿瘤细胞株在活体动物身上传代。这些品系成为肿瘤病因学、肿瘤药理学研究的重 要材料。另外，在涉及到肿瘤或细胞移植的实验中，个体之间组织相容性抗原是否一致，是实验成败的关键，同一品系的近交系实验动物就可以满足这一要求，成为必不可少的实验材料。,返回,2遗传疾病研究,遗传性疾病动物模型的制作 由于近交，隐性基因纯合，这些基因所控制的病态性状得以暴露，可以获得大量的先天性畸型及先天性疾病的动物模型。如糖尿病、高血压、肥胖症等。,返回,3遗传学的研究,近交系实验动物家系清楚，表现一致，是进行基因连锁分析、比较遗传学、生理学和胚胎生物学等研究的理想实验材料。,返回,4实验比较,多个近交系同时使用，可使不同研究者分析不同遗传组成对某项实验的影响，或者观察实验结果是否具有普遍意义。,返回,5保存基因,同源导入近交系常用来保存一些特殊的基因，如将原存在于封闭群体中的突变基因或能控制某些特殊病症的基因，导入到近交系中，以消除杂合遗传背景对这些基因的性状表达产生的影响，便于进行进一步研究。另外可以利用同源导入系，对复杂的多基因控制的性状进行研究，如对小鼠组织相容性性状的研究。,返回,6研究遗传与影响因素的关系,同源导入近交系和分离近交系都可以用来研究在不同遗传背景中，同一基因与遗传背景及其他基因的关系。如不同遗传背景对小鼠糖尿病基因(db)的表达有一定的影响。同时也可以用来研究在同一遗传背景下，同一基因位点上不同等位基因的遗传效应。如在小鼠中不同的组织相容性基因(H-2)对免疫反应、动物寿命和繁殖有不同的影响等。,返回,五 近交系的遗传控制组织方法,1基础群2血缘扩大群3生产群,返回,1.基础群,设基础群的目的一是为了保持近交系本身的传代繁衍，二是为扩大繁殖提供种用动物。基础群的传代管理原则:严格以全同胞兄妹交配的方式进行繁衍。要设立动物个体记录卡(包括品系名称、近交代数、动物编号、出生日期、双亲编号、离奶日期、交配日期、生育记录等)和繁殖系谱。群内的每一个体在不超过57代都应能追溯到一对共同的祖先。,基础群(维持方法),图4近交系基础群(核心群)的维持方法(备注),返回,2.血缘扩大群,血缘扩大群的种动物来自基础群，其传代组织的原则与基础群基本相似：严格以全同胞兄妹交配的方式进行繁衍。要设立动物个体记录卡(包括品系名称、近交代数、动物编号、出生日期、双亲编号、离奶日期、交配日期、生育记录等)和繁殖系谱。群内的每一个体在不超过57代都应能追溯到在基础群的一对共同祖先。,返回,3.生产群,建立生产群的目的是生产供应实验用近交系动物。生产群种动物来自基础群或血缘扩大群。生产群繁殖生产的组织原则是：一般以随机交配的方式进行繁衍。要设立动物个体记录卡(包括品系名称、近交代数、动物编号、出生日期、双亲编号、离奶日期、交配日期、生育记录等)和繁殖系谱。生产群随机繁殖的代数一般不超过35代。,生产群（组织模式）,图45 近交系实验动物扩大生产的组织模式,返回,第三节 杂交代动物,一 基本概念二 繁殖方法三 命名四 特性及其应用,返回,一 基本概念,用两个近交品系进行杂交，所产生的第一代虽然是杂合子，但它们的遗传组成均等地来自两个近交品系，表现型和纯合子一样均一，然而在生活力、耐受力等方面却优于纯合子，表现出杂合优势。其表现型原理如图46。这种用两个近交系杂交所生产出来的第一代子代就称为F1代动物，它是医学及生物学中所使用的相同基因型动物的一种。,基本概念（续）,图46 F1代的表现型原理,返回,二 繁殖方法,通常的办法是有目的地将两个近交系(一般只用于大、小鼠)杂交就可以。这两个近交系称为亲本品系(Parental strain)母系(Maternal strain)和父系(Paternal strain)。在选种时一个品系单纯作父系，而另一个品系单纯作母系。（备注）,繁殖方法（续）,作为亲本近交系的选择，主要取决于：实验研究的内容对杂交一代遗传组成的要求，基于这一点要考虑到两个亲本杂交以后所产的后代是否可以满足实验研究所需要的条件。两系组合是否可以提高杂交优势，一般选择遗传上差异较大的品系进行杂交，以提高杂交优势的程度。通过预选观察证明是最理想的杂交组合。,繁殖方法（续2）,用两个近交系杂交由于选种的母系和父系的不同，可以生产出两种杂交一代。如：C57BL/6DBA/2 B6D2F1 DBA/2C57BL/6 D2B6F1这两种杂交一代的区别在于：Y染色体：B6D2F1的雄性携带来自DBA/2的Y染色体，而D2B6F1携带来自C57BL/6的Y染色体。母性因素(包括细胞质成分、子宫环境和母乳)：B6D2F1是从C57BL/6接受这些因素，而D2B6F1则是从DBA/2接受这些因素的。,返回,三 杂交F1代动物的命名,把亲代母系动物写在前面，以连接，后面写亲代父系，再写上F1。例如：C57BL/6D/2F1表示用C57BL/6品系的雌性动物和DBA/2品系的雄性动物杂交后生育的杂交F1代动物。为了书写方便，也可以将两个近交系的缩写标记按雌雄的顺序写在一起，后面再写上F1，中间的“”省略，如：C57BL/6DBA/2F1也可以简写成B6D2F1。,返回,四 杂交F1代动物的特性及其应用,杂交F1代动物有许多优点，它具有和近交系一样的特征，但在某些方面又优于近交系，具体表现在：1杂交优势2替代近交系3大量地用于肿瘤研究和发育生物学研究4作为某些疾病研究的动物模型,返回,1杂交优势,F1代具有较强的生命力，对疾病的抵抗力强，寿命较长，容易饲养。适用于携带保存某些有害基因和做长时间的慢性毒理试验。也可以作为代乳动物以及卵、胚胎和卵巢移植的受体。,返回,2替代近交系,就某些生物学特征而言，F1代动物比近交系动物具有更高的一致性，不容易受环境因素变化的影响，广泛地适用于营养、药物、病原和激素的生物评价。,返回,3大量地用于肿瘤研究和发育生物学研究,大量地用于肿瘤研究和发育生物学研究 可接受不同个体乃至接受两个亲本品系的细胞、组织、器官和肿瘤的移植，适用于免疫学和发育生物学等研究领域（备注）。,返回,4作为某些疾病研究的动物模型,有些杂交F1代可以作为某些疾病研究的动物模型。如NZBNZWF1是自身免疫缺陷的动物模型。,返回,第四节 实验动物的遗传质量监测,一 封闭群实验动物的遗传监测二 近交系实验动物的遗传监测三 F1代动物和突变型动物的遗 传质量检测四 遗传性状监测结果的分析,返回,一 封闭群实验动物的遗传监测,封闭群实验动物的质量监测主要从饲养管理质量着手。能完全满足下列条件的，就可以视为合格封闭群。1种源动物的遗传背景明确或来源清楚，有较完整的管理资料(包括种群名称、遗传特点及主要生物学特征等)。,封闭群遗传监测(续),2引种或留种的数量足够多，能满足“群体有效大小”的条件。3配种的组织方法规范。4引种后在不从群外引进新个体的前题下，至少繁殖4代以上。,返回,二 近交系实验动物的遗传监测,1管理监测2实验监测,返回,1管理监测,近交系实验动物在保种传代的过程中，可能会由于种种原因造成遗传变异，这些变异主要有遗传漂变，遗传突变，遗传污染等。要保证近交系实验动物遗传的稳定性，就必须经常对其进行遗传质量监测。监测的内容分为管理监测和实验检测两部分进行，管理监测应在日常管理工作中随时进行，实验检测至少每年进行一次。,管理监测(内容),(1)一般的管理监测内容：种源的遗传背景是否明确，来源是否清楚，有无完整的管理资料(包括品系名称、近交代数、遗传基因特点及主要生物学特征等)。基础群、血缘扩大群和生产群的设置和管理是否科学合理。系谱记录是否详细齐全，通过系谱检查同一代的每一个体在7代以内是否有共同的祖先。,管理监测(内容续),(2)动物遗传概貌图的建立 实验动物的遗传概貌(Genetic profile)图一般可根据每个品系、品种、毛色、生物化学及免疫学性状的基因型制成一览表。为了便利进行遗传学的管理和调查，在制定过程中最好能够进行全面的检查，记录各种质量和数量遗传性状。但是要检查全面的性状是很困难的，对于国际上广泛使用的品系，可将已报道的品种性状归纳成遗传概貌图，供以后进行生化监测时对比参考。,返回,2实验监测(生化基因标记法),(1)生化基因标记法 生化基因标记法(备注)具有快速、灵敏、准确等优点，已成为对近交系动物进行遗传监测的主要技术。常用近交系大鼠生化遗传概貌见表44，近交系小鼠的生化基因标记及常用近交系小鼠的生化遗传概貌如表45。,表44 常用近交系大鼠生化遗传概貌,表45 近交系小鼠的生化基因标记及常用近交系小鼠的生化遗传概貌,实验监测(皮肤移植法),近交系实验动物经过一定代数的近交以后，各基因趋于纯合，其中组织相容性基因(H-2)也趋于纯合，同一品系内部各个体间不存在异体排斥现象，所以各个体间的皮肤可以相互移植。皮肤异体移植法是70年代以前监测近交系实验动物的主要方法，目前此法多在世代间隔比较长的近交系动物中使用。在一个品系中随机抽出至少4个同性别的成年动物作样本，全部成功即视为合格。,实验监测(其他方法),除上述两种方法外，还可以选用其他方法对近交系实验动物进行遗传质量监测，如毛色基因测试(Coat color gene testing)、免疫标记基因检测(Immunogenetic markers)下颌骨测量法(Mandible measurement)、染色体标记检测(Cytogenetic techniques)等。,返回,三 F1代动物和突变型动物的遗传质量检测,对F1代动物的质量检测主要是对两个亲本的质量检测，实质上就是两个近交系的质量检测。突变型动物的遗传监测大致上与近交系同。,返回,四 遗传性状监测结果的分析,1 遗传污染2 遗传漂变3.遗传突变,返回,1 遗传污染,遗传污染(Genetic contamination)是最常见的遗传变异(备注)遗传学管理不善。相同毛色的动物品系在同一个饲养单元中繁育、维持，非常容易发生品系间的错误交配所致。出现上述情况均应淘汰原品系，更换来源清楚、质量合格的新种，重新进行品系的繁育。,返回,2 遗传漂变,遗传漂变(Genetic drift)是指一个品种或品系动物基因型在饲养的过程中可能发生随机的改变。这种改变多由于近交系动物部分杂合基因尚未纯合时就进行了分系，造成了亚系和支系的形成。监测时可以看到一个品系所有的动物在12个基因标记上与本品系动物的遗传概貌不符，但表型一致又均为纯合型。这种情况在用同系异体皮肤移植排除了遗传污染后，应按亚系或支系重新命名。,返回,3.遗传突变,遗传突变(Mutation)在哺乳类动物中的发生频率为10。在分析监测结果时，如果仅看到一只动物单个基因标记出现杂合型，就要考虑是否出现遗传突变(备注)。,返回,谢谢大家,返回,