第4章 實驗動物遺傳學控製及分類(2 / 3)

基礎群一定要設動物個體記錄卡,包括品係名稱、近交代數、動物編號、出生日期、雙親編號、離乳日期、交配日期、生育記錄和繁殖係譜。

血緣擴大群:目的為生產群提供種動物,繁育方法基本同基礎群。

(三)生產群的繁殖

生產群的目的是生產供應實驗用近交係動物,生產群種動物來自基礎群或血緣擴大群。生產群動物一般采用隨機交配方式進行繁殖,隨機交配繁殖代數一般不應超過3代。英國實驗動物中心采用的紅綠燈生產體係已為世界上大多數國家所接受。以前曾認為隨機交配3代對其生物學特性影響不大,仍認為是原來近交係動物,但目前普遍傾向於盡量減少隨機交配的代數,因為這種品係內的隨機交配將意味著低水平的遺傳汙染。

每個盒上必須有標簽(白、綠、黃、紅),白標簽表示第1代,綠標簽表示第2代,黃標簽表示第3代,紅標簽表示第4代,紅標簽後不得留種再做繁殖用。

五、近交係動物的特征和應用

(一)近交係動物的特征

1.基因純合性通過連續20代以上全同胞兄妹的近親繁殖,基因已高度純合化。純合子在理論上接近最高點,基因位點已有98.6%以上完全純合,僅有1%左右不純合,因此近交係動物的基因是一致的,遺傳組成亦相同。在一個近交品係內所有動物的各個基因位點都應該是純合子,這樣的個體與該品係中任何一個動物交配所產生的後代也應該是純合子,在這些動物中沒有暗藏的隱性基因(A/a)。

2.遺傳穩定性因為基因高度純合,所以純合子基因可以極穩定地傳給後代。近交係動物在遺傳上具有高度的穩定性,人為選擇不會改變其基因型。如DBA品係已維持80多年,C57BL品係已維持了70多年,但至今仍與原品係極相似。近交係動物在遺傳上是相當穩定的,遺傳上的變異僅發生在少量殘留雜合基因或基因突變上,而這種概率非常低。如果品係在被確認為近交係後堅持近交,同時輔以遺傳監測,及時發現和清除遺傳變異的動物,就可以保持近交係動物遺傳穩定性。

3.同基因性是指一個近交係動物中所有個體在遺傳上是同源的。由於基因高度純合和基因型相當穩定,導致個體間極為相似,即同一品係內具有基本相同的遺傳基因組成,也就是基因型相同。這種遺傳上的均質性可采用組織移植方法來檢測,也可用一隻動物檢測群體的基因型。

4.表現型的均一性表現型是基因在環境因素作用下表現出來的、可被直接觀察到親代的性狀。在相同環境因素的作用下,由於遺傳是均質的,所以其表現型是均一的,反應性是一致的。近交係動物的性狀如腫瘤發病率、形態學特點、血型和組織型、對藥物的反應、甚至行為的類型等都可高度遺傳,均衡性一致遠比遠交係動物為強,因此可用較少量的近交係動物,達到統計需要的精密度。

5.個體性不同品係都具有不同的遺傳基因組成和生物學特性,所以不同品係各有不同的特性。目前國際上公認的250個近交係小鼠,均各有明顯的區別,有其不同的反應性和敏感性,如自發免疫病鼠、白內障鼠、腦積水鼠、多尿症鼠、缺乏免疫球蛋白M鼠、對胰島素敏感鼠等。因此,選擇近交係時,必須注意其是否適合各項研究設計的需要,決不能認為近交係動物遺傳均一、基因型相同、反應性一致,就隨便選一個品係來做實驗。

個體性從整個近交係動物來看,每個品係在遺傳上都是獨特的,這表明在相當廣泛的特性上,有些品係可能自發一些疾病,成為研究人類疾病理想的模型。在某些情況下,品係間的差別顯示在量上,而不是在質上,而這一點在研究上也非常有用。因為以此可在很多的近交係動物中篩選出對某些因子敏感和非敏感的品係以達到不同的實驗目的。

6.可分辨性每個近交品係動物都具有自己獨特的標準遺傳概貌,研究工作者可定期進行檢測,以識別所使用的近交品係動物是否可靠。方法有:生化標記基因法、皮膚移植法、毛色基因法和下頜骨測量法。如果掌握了這些方法,可以根據這些位點的分型輕而易舉地將混合在一起的2個外貌近似的品係分辨出來。

7.分布的廣泛性近交係動物一個個體就可攜帶整個品係的基因庫,引種非常方便,所以許多近交係動物在國際上廣泛分布,從而有可能在世界各國之間進行比較研究。這在理論上意味著不同地區、不同國家的科學家有可能去重複或驗證已取得的理論和數據。但因環境變化可引起遺傳變異,因此,環境條件應力求盡可能一致。如同一近交係的2隻動物,一隻吃完善的飼料,另一隻吃營養不足的飼料,則二者可發生不同的變化。

8.資料可查性近交係動物的一個最有價值的特點是最常用的品係都具有相當數量的背景資料。由於近交係動物在培育和保種的過程中都有詳細的記錄,加之這些動物分布廣泛,經常使用,目前已有相當數量的文獻記載著各個品係的生物學特征,這些有關品係的特征、壽命和自發性疾病等資料,對研究工作選擇品係是極為重要的,而且這些基本數據對於設計新的實驗和解釋所得結果提供了便利條件。

(二)近交係動物的應用

使用實驗動物進行各項科學研究的一個關鍵問題,就是怎樣使動物實驗的結果準確、可靠、有規律性、重複性好,從而精確判定實驗結果,得出正確結論。普通動物采用隨機交配的繁殖方法,所生產的動物個體遺傳差異大,必然影響實驗結果的均一性,有時難以判定實驗結果,根據近交係動物所具備的特點,已廣泛應用於生物學、醫學、藥學等領域的研究。

1.相同的遺傳基因組成和遺傳特性與封閉群動物相比,近交係動物的個體之間具有相同的遺傳基因組成和生物學特性,對實驗反應極為一致。因此在實驗中,隻需使用少量的動物,就可得到非常有規律的實驗結果,可以消除雜合遺傳背景對實驗結果的影響。

2.組織移植實驗近交係動物個體之間組織相容性抗原一致,異體移植不產生排斥反應,是組織細胞和腫瘤移植實驗中最為理想的材料。

3.充分利用各個近交係動物固有的生物學特性每個近交係動物都有各自明顯的生物學特點,如先天性畸形、高腫瘤發病率、對某些因子的敏感和耐受等,這些特點在醫學研究領域中非常重要。

4.多個近交係動物使用因近交係動物各個品係具有獨特的生物學特性,多個近交係動物同時使用不僅可分析不同遺傳基因組成對某項實驗的不同反應與影響,還可觀察實驗結果是否具有普遍意義。

六、近交係動物的新進展

1.重組近交係(recombinant inbreed strain,RI)動物由2個(無血緣關係的)近交係動物雜交後,得到F1代,分組分別經連續20代以上全同胞兄妹交配育成的近交係係列組動物,稱為重組近交係動物。

在實際應用中,多個重組近交係動物組成一個係列,係列中每個品係都是獨立的近交係動物,這個係列是一個相互關聯的整體。為重組近交係動物提供親代的2個近交係動物稱為祖係。重組近交係動物既具有其雙親品係的特性,又具有重組後一組內每個重組近交係動物的特征。

重組近交係動物主要用於如下研究:①測試某個性狀的遺傳特點;②基因的連鎖分析;③研究已知基因的多基因效應。

2.同源突變近交係動物一個近交係動物在某個基因位點上發生突變而分離出來的近交係亞係,它和原近交係動物隻在一個指明基因位點上帶有不同的等位基因,其他位點上的基因完全相同。

3.同源導入近交係(congenic inbreed strain)動物通過雜交-互交或回交等方式將一個目的基因導入到一個近交係動物而培育成新的近交係動物稱為同源導入近交係動物,也稱為“近交同類係”,簡稱IR係。與原來的近交係隻是在一個很小的染色體片段上的基因不同。

同源導入近交係動物與同源突變近交係動物的不同之處在於與原近交係動物相比較,前者是一個染色體片段的差異,後者是一個位點單個基因的差異。

4.分離近交係動物在近交係動物培育過程中,采用特定的交配方式,使一個或幾個已知位點上的基因處於雜合狀態,從而培育成分離近交係。

除一般近交係動物外,重組近交係動物、同源突變近交係動物、同源導入近交係動物、分離近交係動物等在遺傳組成上都屬於近交類型。

5.轉基因動物(transgenic animal)是指通過實驗手段將新的遺傳物質導入到動物胚細胞中,並能穩定遺傳,由此獲得的動物稱為轉基因動物。

第三節 封閉群動物

一、基本概念

動物以群體方式生存,所謂群體實際上指的就是動物的一個種、一個亞種、一個品係所有成員之總和。在一個群體內部,個體之間遺傳變異一般起因於等位基因的差異,而群體間的遺傳變異則取決於其基因頻率的差異。因此,基因頻率決定了群體的遺傳特性。

根據群體遺傳學Hardy-Weinberg定律,當一個群體無限大時,在沒有其他外來因素的影響下,這樣一個隨機交配的群體其基因頻率總是保持平衡不變,也就是說,該群體遺傳特性保持不變。

因此,對於一個隻進行群體內隨機交配的群體而言,雖然在群體內個體之間因等位基因不同而各具遺傳特性(雜合性),但整個群體遺傳特性卻因基因頻率代代不變而保持相對穩定,從而符合實驗動物要求。這種既不以近交進行交配,也不引入任何外來血源,從而保持了群體的一般遺傳特性,又具備雜合性,這樣的群體稱之為封閉群動物。

在這樣的群體內,個體之間差異程度主要取決於其祖代來源,若祖代來自一般雜種動物,則個體差異較大,若來自近交係動物,則差異較小。

由於封閉群體本身的特點,加上客觀上具有各種各樣的相似存在形式,就使“封閉群”這個概念很混亂。有人叫“非近交係”或“非近交品係”(no-inbreed),甚至有人叫“遠交係”或“遠交動物”(outbreed animals)。實際上這些叫法並不是指真正的“封閉群”,而是指通常供應使用的、保持於各種飼養係統的非近交群體而已。特別是“遠交”一詞很容易使人理解為遺傳學上的“異係交配”。因為“遠交”在遺傳學上是指遺傳上不相關的動植物的雜交,或沒有相近血緣關係的不同家係的2個個體的交配,甚至把不同種、不同變種的交配都看做是異係交配。而實驗動物的封閉群,其個體之間並不是沒有親緣關係,相反是很親近的或有一定的近交關係。所以封閉群不應叫成上述這些名稱,它們之間更不能畫等號。

ICLA在1963年和1964年曾規定:“不從外部進行引種的群體為封閉群”,這是最基本的。日本實驗動物研究會於1973年又進一步規定:“5年以上不從外部引種,隻在一定的群體中進行繁殖,為經常提供實驗動物而進行生產的群體叫做封閉群”。

我國GB 14923-2001版《實驗動物國家標準》把封閉群的定義表達為:以非近親交配方式進行繁殖生產的一個種群,在不從外部引入新的血源條件下,至少連續繁殖4代以上稱為封閉群。

實際上對封閉群動物的全麵理解應該包括封閉年限、群體大小及繁殖結構等。封閉群動物的關鍵是不從外部引進任何新的基因,同時也不讓群內基因丟失,以保持封閉群動物一般遺傳性和雜合性。而選擇性交配或近交則會導致群內基因丟失和群體分化成若幹不同遺傳特性近交係小群體。

二、封閉群動物的分類

封閉群動物按其來源和遺傳背景不同,可分為兩大類:①來源於近交係動物的繁殖群及其子代,不用兄妹交配方式保種進行生產的實驗動物;②來源於非近交係動物,不是以培育近交係動物為目的而生產的實驗動物群。

來源於近交係的封閉群動物,雖然對繁殖群的大小不做特殊規定,但應采取在群體內不產生隔離狀態的方法繁殖。但來源於非近交係的封閉群動物,應經常保持“群體的有效大小”,一般為50隻以上,同樣應采取群內不產生隔離狀態的方法繁殖。

上述2種封閉群動物,除了在選擇時應考慮繁殖力外,均不采用特殊的淘汰方法進行選種。

三、封閉群動物的應用

目前國內外實驗動物的使用,以小鼠為例,大部分是近交係和封閉群,而從使用量上來看封閉群遠遠超過近交係。這是因為近交品係繁多,又不易大量生產,往往僅適用設備條件較好的研究機構或專門科技人員親自保種使用,大大限製了其使用範圍。而封閉群動物因為有雜合子並避免了近交,故能保持相當程度的雜合性,從而避免了近交衰退的出現。所以,其生活力、生育力都比近交係動物強,具有繁殖率高等遺傳學的特點,因此封閉群動物可以大量生產,作為鑒定實驗使用。這類動物在生物製品和藥品的鑒定上,其反應穩定性好,特別是作為熱原質試驗的家兔更為明顯。進行各種篩選性實驗時,選用封閉群動物有一定優點,因為在封閉群動物中有的可能有近親關係,有的可能沒有,從而保持了一定的遺傳差異。因而對各種刺激的反應有強一些的,也有弱一些的,但其平均的反應性有一定穩定性,故要觀察篩選某一藥物的初步療效時,封閉群動物就可以反映綜合的平均療效。

然而,對於封閉群動物的研究,無論在理論上還是實踐上,無論在國內或國外,都落後於近交係動物。其原因在於封閉群是屬於群體遺傳學理論範疇,不僅群體遺傳學本身產生較晚,而且該理論又不能機械地套用於封閉群。到目前為止,對封閉群動物所進行的研究幾乎都隻限於小鼠和大鼠,而且報道也甚少。

目前,國內常用的封閉群動物有:昆明(KM)小鼠、NIH小鼠、Wistar大鼠、SD大鼠、青紫藍兔、新西蘭兔等,尤其是昆明小鼠(KM),是目前國內使用最多的實驗動物。

四、封閉群動物的培育方法及注意事項

盡量保持封閉群動物的基因異質性及多態性,避免近交係數隨繁殖代數增加而上升過快。封閉群動物的培育方法較為簡單,隻要不引進新品種,讓其自行繁殖就可以,當然要避免近親繁殖。但是長期保持一個封閉群就必須要控製各種條件,采取一定的措施。保持封閉群的主要目的是為了減少群體內的遺傳變異,使整個群體的性狀、生物學特征能持續穩定,而且避免性質不同(變異)的個體或小群體出現。

培育繁殖時應注意下列問題:①群體封閉的年限;②防止出現群體內隔離狀態;③“群體有效大小”應保持在50隻以上;④不要用人為淘汰的方式選種。