实验动物遗传学质量控制.ppt
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1、第二章实验动物遗传学质量控制Genetics Quality Control of Laboratory Animal,本章在实验动物学中的位置,遗传学质量控制近交系、封闭群、杂交F1代、突变系,微生物及寄生虫学质量控制普通、清洁、SPF、无菌动物,营养学与饲料质量控制营养需要、标准、饲料配方、质量控制,环境与设施温度、湿度、噪音、洁净度等环境因素的控制,常用实验动物的特点生物学特性、品种品系、用途、繁育生产,概念、内容、分类、应用、发展概况、方向、福利及3R原则等,选择与应用原则、回避、生物医学主要研究课题中的选择,人类疾病动物模型概述、复制原则、方法、常用模型,动物实验基本技术各种实验技术
2、、方法,本章主要内容实验动物的遗传学分类近交系动物封闭群动物杂交F1代动物突变系动物遗传质量检测,为什么要进行实验动物的遗传质量控制?实验动物是以科学实验为目的,专门培育的动物。由于科学工作者在实验研究中对实验动物不断提出更高的要求,希望有各种更为合适的动物类型来完成科学实验,因而促使实验动物工作者从遗传学控制的角度选择、培育和生产实验动物。另一方面,动物实验结果的重复性取决于动物个体差异的程度,而动物个体特征主要受遗传基因控制,因此,实验动物遗传学质量控制是取得准确动物实验结果的根本保证。,第一节 实验动物的遗传学分类,一、几个基本的名词和概念 1、染色体和基因 动物细胞中的染色体,除雄性的
3、一对性染色体(sex chromosome)之外,其余成对的染色体其形态、大小都完全都是一样的,称为同源染色体。同源染色体在不同种动物数目不同,在人的体细胞是23对,小鼠是20对。同源染色体的其中一条来自父本,另外一条来自母本。,基因排列在染色体上,凡是在同源染色体占有相同位置的基因,叫作等位基因(allele),一对等位基因是决定相对性状的基因,它们可以是一样的,也可以不一样。遗传学家认为最初的基因都是野生型(wild-type gene),不一样的基因是由野生型基因突变而来。,在一个体中,细胞同源染色体上占据同一位点的两个等位基因如果相同,称该位点为纯合位点,如不同称杂合位点,自然界的动物
4、体内往往同时存在杂合位点和纯合位点。,2、性状 性状是生物中可以观察到的形态、生理、生化或心理特征等。等位基因决定相对性状,存在显性和隐性的关系。当一个基因位点处于杂合状态时,生物只显示显性基因(dominant gene)所决定的性状,隐性基因(recessive gene)所决定的性状被显性基因所掩盖。,种群中一个座位的基因有两种以上变化形式时称为复等位基因(multiple alleles)。家兔C位点毛色基因:C Cch Ch c 单一色 青紫蓝 喜马拉雅 白化 CC,CCch,CCh,Cc 单一色 CchCch Cch Ch Cch c 青紫蓝 ChCh Chc 喜马拉雅 cc 白化
5、,New Zealand white rabbit,chinchilla,Himalayan rabbit,喜马拉雅兔 该兔全身被毛白色,只有双耳、鼻、四肢及尾巴为黑色,故又称“八点黑兔”。成年兔体重一般44.5公斤,红眼睛,体质结实,性情温顺。,3.遗传学三大基本定律Mendel 遗传定律:分离定律、自由组合定律摩尔根(Morgan):连锁交换定律,1953(April)James Watson and Francis Crick discover the double helical structure of DNA(Nature).,近交系 inbred strain(包括突变系 mut
6、ant strain)遗传学分类 封闭群 closed colony 杂交F1代 hybrid F1(遗传特点)杂交群 hybrids 其它杂交群,二、遗传学分类 从遗传学观点来看,实验动物是遗传限定的动物,因为在实验动物培育过程中,采取了近交、回交、随机交配等方法对所形成实验动物的遗传组成进行了限定,以保持其遗传稳定或形成特定的遗传组成。根据遗传特点的不同,实验动物分为近交系、封闭群和杂交群。,不同基因类型封闭群 closed colony、其它遗传学分类 近交系 inbred strain(包括(基因纯和 相同基因类型 突变系mutant strain)程度)杂交F1代 hybrid F1
7、,实验动物按基因纯和程度可分为相同基因类型和不同基因类型两大类。近交系动物又包括普通近交系、重组近交系、重组同类系、同源突变近交系、同源导入近交系等。,大量资料表明,不同基因型的动物,其生物学特性具有明显差异,对外来刺激呈不同反应。如:解剖学上同龄的近交系BALB/c小鼠与A系小鼠相比,BALB/c小鼠脊椎较大,脑重体重比较高,脾及胸腺的重量也较重。一般来说,近交系、突变系、杂交F1代动物种群内个体之间生物学特性非常一致,而封闭群内动物个体之间差异较大。随着生物工程技术的进步,新型实验动物不断涌现,如转基因动物、嵌合体动物等。,三、实验动物品种、品系的概念1.种 种(species)是生物学分
8、类的最基本单位,是一群形态相似、能相互交配的自然群体,它们在生殖上与其他群体相隔离。种以下还可有进一步小的分类,如品种(stock)、品系(strain)。在实验动物分类系统中,品种和品系是基本分类单位。脊椎动物门哺乳纲啮齿目鼠科大鼠属大鼠种。2.品种 品种一般系指具有一些容易识别和人们所需要的性状,而且可以基本稳定遗传的动物群体。如新西兰白兔、青紫兰兔、Wistar大鼠、KM小鼠等。3.品系 在实验动物学中把基因高度纯合的动物称作品系动物。例如,C57BL/6是近交系动物中的一个品系,属低癌组、高补体活性的动物。又如,肌萎缩症(dystrophia muscularis)小鼠是带有突变基因(
9、dy/dy)的品系动物。,四、作为品系、品种的条件(一)相似的外貌特征:例如C57BL/6品系小鼠的毛色是黑色的,DBA/2品系的毛色是灰色的,KM小鼠的毛色是白色的。(二)独特的生物学特性:例如A品系,在经产鼠中高发乳腺肿瘤,对致癌物质敏感,易产生肺癌,老年鼠多有肾脏病变;AKR品系自发淋巴细胞白血病;ICR品种繁殖能力强。(三)稳定的遗传性能:即在品系、品种自群繁殖时,能将其特性稳定地传给后代。(四)具有共同遗传来源和一定的遗传结构:任何品系品种都可追溯到其共同的祖先,并由此分支经选育而成,其遗传结构也应是独特的。例如KM小鼠Glo-1位点为a基因单一型,而NIH小鼠在该基因呈多态分布,a
10、、b型基因频率分别为67%和33%。,目前,世界各地共培育着200多种共计26000多个实验动物品系,其中2607个为常规实验动物品系。我国实验动物(包括实验用动物)资源30种共计1100多个品种、品系,其中常规品系103个。,小鼠种系资源比较遗传分类 国际 国内近交系 4303 20突变系 11616 30基因工程品系 2930 1000其他品系 2971 7总计 21820 1057引自Jackson Lab website,大鼠种系资源比较遗传分类 国际 国内常规品系 1637 10突变系 301 7基因工程品系 221 0其他品系 43 0总计 2202 17引自Jackson Lab
11、 website,第二节 近交系动物,一、基本概念 近交系是指经至少连续20代的全同胞兄妹交配培育而成,品系内所有个体都可追溯到起源于第20代或以后代数的一对共同祖先。经连续20代以上亲代与子代交配与全同胞兄妹交配有等同效果。在一个动物群体中,任何个体基因组中99%以上的等位位点为纯合时定义为近交系。近交系的近交系数(inbreeding coefficient)应大于99%。这种动物在自然界里并不存在,是经人工专门培育而成。,巴马香猪,版纳小耳猪(滇南小耳猪)云南农业大学曾养志教授已近交20代,二、近亲繁殖:1.什么是近亲繁殖?近亲繁殖就是将亲缘关系比较近的个体进行交配,如兄妹交配(bs)、
12、亲子交配(p)等。近亲繁殖的目的为增强纯合性。2.近亲交配的结果:(1)遗传基因趋向于纯合 近亲交配的结果使纯合子数量增加,杂合子数量减少,近交形成不同的品系。AA aa Aa AA+Aa+Aa+aa aa Aa AA,(2)近交衰退 在近亲繁殖的实践中,通常伴随着遗传缺陷的出现,生命早亡较多,动物体质普遍较差,并且较为容易感染疾病,生产能力减退和隐性基因暴露增多,这个现象叫“近交衰退”。这种有害影响是由于若干对不利的隐性基因纯合造成的,如不能产生正常生活所需要的酶,或者产生不正常的蛋白质或其他化合物,或激素的不平衡。衰退的原因:随着纯合基因位点的增多,有害的隐性基因暴露增多,一般有害基因为隐
13、性基因,其性状被正常的显性基因所掩盖,当隐性基因纯合时,常表现出遗传缺陷。多基因平衡的破坏导致生命活动的异常。过去认为“一个基因一个酶”,忽视了基因之间的作用。现在证明基因之间有相互作用,虽然相互的影响很小,但是由于长期自然选择、优胜劣汰的结果,使得有利生存的组合保存下来,近交使平衡关系破坏,引起异常。实践证明,近交到7-8代,最为困难,往往有断代危险,随着代数上升,可慢慢稳定。,(3)近交系数上升 近交系数是一个表示近交程度的函数,是表示一个种系的动物个体中两个等位基因具有相同来源的概率。近交系数的值随近交代数上升而上升。近交系数用“F”表示,F0表示完全杂合,F1表示完全纯合。近交系数F的
14、值与近交代数有函数关系,可以用公式推算出来,Wright已经推算出一个近交系数表(bs)。,近交代数 近交系数(F)近交代数 近交系数(F)0.250 11 0.908 0.375 12 0.926 0.500 13 0.940 0.594 14 0.951 0.672 15 0.961 0.734 16 0.968 0.785 17 0.974 0.826 18 0.979 0.859 19 0.983 10 0.886 20 0.986,三、近交系的亚系(substrain)近交系的亚系分化是指一个近交系内各个分支的动物之间,已经发现或十分可能存在遗传差异。通常下述三种情况会发生亚系分化。
15、1在兄妹交配代数达40代以前形成的分支(即分支发生于F20到F40之间)。2一个分支与其他分支分开繁殖超过100代。3已发现一个分支与其他分支存在遗传差异。产生这种遗传差异的原因可能是残留杂合、突变或遗传污染(genetic contamination)(即一个近交系与非本品系动物之间杂交引起遗传改变)。由于遗传污染形成的亚系,通常与原品系之间遗传差异较大,因此对这样形成的亚系应重新命名。例如由Glaxo保持的A近交系在发生遗传污染后,重新命名为A2G。,四.命名:小鼠标准化遗传命名国际委员会 近交系小鼠国际命名法 International Committee on Standardized
16、 Genetic Nomenclature for Mice Mouse News Letter 小鼠新闻通讯 Inbred Strain of Mice 近交系小鼠,1.近交系一般以大写英文字母命名,应尽量简短,一般个字母,例如A、AE、DBA、STAR等。2.有些命名可在大写字母中间加一些阿拉伯数字,如C3H、C57BL等。3.近交系的近交代数用大写的英文字母F表示,例如当一个近交系的近交代数为87代时,写成(F87)。如果资料不全,可以只写上已知的代数,如AKR(F?+10)等。4.亚系的命名是在原品系名称后加一道斜线“”斜线后标明亚系的数字或符号。例如,DBA1、DBA2、C57BL6
17、J等。新国标增加了染色体置换系、核转移系。,5.有时一些较早使用的非正规命名,已广泛为国际所共知,可以沿用。如615、129、101等。而昆明种小鼠、津白、津白、中国1号则改为:KM、TA1、TA2和C-1等。6.经人工处置形成的支系,在原品系名称后面加一个小写的英文字母以标明处置方式,具体符号是:卵子移植:e(egg transfer)奶姆代乳:f(foster nursing)人工喂养:h(hand-rearing)卵巢移植:o(ovary transplant)例如,“TA1f615”表示由615品系代乳的TA1近交系。,7.缩写 C3H=C3 H CBA=CB C C57BL/6=B6
18、 C57 C57BL=B C57L=L BALB/c=C c DBA/2=D2 A2 DBA=D,五、特性1基因纯合性(homozygosity)。在一个近交品系内所有动物的基因位点都应该是纯合子,这样的个体与该品系中任何一个动物交配所产生的后代也应该是纯合子,在这些动物中没有暗藏的隐性基因。2同基因性(isogeneicity)。由于近交系动物是相同基因型的动物,因而任何可遗传的体征都完全一致,例如血型和组织型,形态学上的特征(体重、毛色等),甚至行为的类型也趋于一致。在同一品系内动物个体间进行皮肤和肿瘤移植不被当作异物排斥。如用生化或免疫学的方法检测个体在各染色体上的基因标记,同一品系内不
19、同个体间的基因标记完全一致。,3遗传稳定性(genetic stability)。已建立的近交系动物在遗传上具有高度稳定性,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(genetic monitoring),及时地发现和清除遗传变异的动物,该品系的遗传特性可世代相传。如DBA小鼠已维持了近100年。所以近交系动物是永不死的个体。,4个体性(individuality)就整个近交系小鼠而言,每个品系在遗传上都是独特的,几乎每个近交品系都建立了各自的遗传概貌,用遗传监测方法,可将两个外貌近似的品系分辨出来。有些品系可能自
20、发某些疾病,成为研究人类疾病理想的动物模型。在某些情况下,品系间的差别显示在量上,而不在质上,这一点在研究上也非常有用。因此可在众多的近交系中筛选出对某些因子敏感和非敏感的品系以达到不同的实验目的。如:津白I(TA1)为抗癌品系;TA2为高乳腺癌。C57BL/6低发癌,对放射线耐受性强,BALB/c对放射极为敏感。,5分布的广泛性(extensive distribution)近交系动物个体具备品系的全能性,任何个体均可携带该品系全部基因库,引种非常方便,仅需12对动物。目前,大部分近交系动物分布在世界各地,这从理论上意味着不同国家的科学家有可能去验证和比较已取得的数据。6背景资料可查性(re
21、trievalable background date)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品系的生物学特征,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。,近交系动物的基因特点?,六、应用 近交系动物与封闭群相比,个体之间极为一致,对实验反应一致,实验数据标准差较小,因此在实验中实验组和对照组都只需少量的动物。由于近交,隐性基因纯合性状得以暴露,可以获得大量先天性畸形及先天性疾病的动物模型,如糖尿病、高血压等。这些动物家系清楚,取材方便,是进行基因连锁分析、遗传学、生理学和胚胎生物学研究的理想实验材料。在某些
22、涉及组织细胞或肿瘤移植的实验中,个体之间组织相容性一致与否,是实验成败的关键,在这里,近交系动物成为必不可少的实验动物。某些近交系具有一定的自发或诱发肿瘤发病率,并可使许多肿瘤细胞株在活体动物上传代,这些品系成为肿瘤病因学、肿瘤药理学研究的重要模型。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有普遍意义。,七.常见近交系小鼠、大鼠(1)小鼠:近交系小鼠:BALB/c;C57BL/6;C3H;DBA/2;615;TA1(抗癌系);TA2(高癌系)(2)大鼠:近交系大鼠:F344,八.近交系培育的方法:(1)平行线法 选择多个兄妹对(35个),每一代再分别
23、从各对的后代中选一对兄妹交配生产下一代,如此类推,可以认为如果都不断代的话,培育出4个不同的近交品系。,表示一个兄妹对.,(2)单线法 从某一个家系选全同胞兄妹(35对)进行交配,每代只选留其中的一对做为下代繁殖用,最后形成一个品系。,表示一个兄妹对.,(3)选优法:首先象平行线一样,开始选择35个兄妹对,第一世代中的第2系因繁殖力低而被淘汰(从左右分别为1、2、3、4系),由3系的代替。其后2、4、1在以后世代先后被淘汰。分别由3系所替代。,表示一个兄妹对.,第三节 封闭群动物,一、基本概念 封闭群动物(closed colony)属不同基因型动物,又称远交群(outbred stock),
24、是指以非近亲交配方式进行繁殖生产的一个实验动物群体,在不从其外部引入新个体的条件下,至少连续繁殖4代以上。,在封闭群内,个体间的差异程度主要取决于其祖代来源,若祖代来自一般杂种动物,则个体差异较大,若祖代来自同一个品系的近交系动物,差异则较少。祖代来自近交系的封闭群又称非近交系(noninbred strain)和随机交配品系(random-bred strain)。某些封闭群携带个别突变基因,称突变种。这些突变可能是以纯合或杂合的形式存在于群体之中。培育者除了考虑封闭群的遗传组成之外,更加注意研究突变基因在封闭群中的保存和遗传规律,以及其应用价值。,二、命名 封闭群由24个大写英文字母命名,
25、种群名称前标明保持者的英文缩写名称,第一个字母须大写,后面的字母小写,一般不超过4个字母。保持者与种群名称之间用冒号分开。如:N:NIH表是由美国国立卫生研究院(N)保持的NIH封闭群小鼠。某些命名较早,又广为人知的封闭群动物,名称与上述规则不一致时,仍可沿用其原来的名称。如Wistar大鼠封闭群。此外,近交系命名中的规则及符号也适用于封闭群动物的命名。,三、特点 封闭群是一个长时期与外界隔离,雌雄个体之间能够随机交配的动物群。其遗传组成比较接近于自然状态下的动物群体结构。由于在远交种群中,个体之间具有遗传杂合性而差异较大,但是从整个群体来看,封闭群状态和随机交配使群体基因频率基本保持稳定不变
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