上海交通大学医学院动物学课程2012级第二章-实验动物遗传

第二章实验动物遗传学基础上海交通大学医学院姚一康[e-mail]第一节实验动物遗传学分类及其特性第二节实验动物遗传学质量控制实验动物学实验动物遗传育种学比较医学实验动物医学实验动物环境生态学动物实验技术动物福利法的研究和贯彻；实验的替代、减少和优化.绪论回顾1实验动物质量的标准化实验动物的性状表现主要是由遗传因素和环境因素决定。绪论回顾2动物实验需要其结果具有良好的重复性，就必须要求实验动物具有稳定的演出型。绪论回顾3遗传型的控制包括：相应的严格的繁殖制度和遗传质量检测。绪论回顾4实验动物的遗传学是遗传学的基本规律在实验动物科学中的运用和发展。近交系动物的培育、遗传质量检测、实验动物标准化、特殊基因的保持、遗传工程小鼠研制、保种都是建立在遗传学基础上的。第一节实验动物遗传学分类及其特性标准的国际通用命名规则:一个品种或品系只能有一个名字，不同的人在不同的时间、地点做实验，他们只要根据名字，就能使用相同的品系，他们的结果就具有可重复性或可比性。国际实验动物科学协会（ICLAS）小鼠遗传标准化命名委员会一、实验用动物的分类回顾实验动物经济动物野生动物观赏动物V实验动物通过人工培育和人工改造,来源清楚，遗传背景明确；提供适用于科学研究,教学,生产,检定以及其他科学实验的动物。对动物携带的微生物,及其遗传质量和营养状况，饲育环境等实行控制，二、实验动物的种、品种和品系种：在生物分类学上，“种”是动物分类的基本单位，由自然选择形成；一般情况下，同种动物交配能顺利繁殖后代，而异种动物存在生殖隔离。各种实验动物经过人类的长期驯化、培育和选择，已与其祖先有着极显著的差异。品种：品种是种以下的非自然的单位，是人为选择的产物。根据不同需要把动物的外形和生物学特性进行改良，选择和定向培育，使之具备某些生物学特性，这些特性能稳定遗传，同种动物中具有不同遗传特性的动物称为不同的品种。英国短毛种豚鼠近交系213RAP封闭群DHDunkinHartleyDHPDunkinHartleypirbrightDHPK比如：KM小鼠是封闭群小鼠中的一个品种，属我国常用的实验小鼠，1994年列入国际实验动物理事会出版的实验小鼠目录。又比如：品系：品系是根据不同的实验目的，采用近亲交配方式繁殖，且遗传背景明确的动物。具有:独特的生物学特性相似的外貌稳定的遗传特性如C57BL/6小鼠是近交系小鼠中的一个品系，属低癌，高补体活性的小鼠；全身黑色被毛；其生物学特性稳定地代代相传。因此，品系和品种是实验动物分类的基本单位。KM小鼠小鼠1.近交系Inbredstrain近交系动物的概念经至少连续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，近交系数达到98.6%以上,该品系称为近交系。经连续20代以上亲代与子代的交配，与全同胞兄妹的交配具有同等效果。亲兄妹交配亲子交配F21XF21F21♂XF22♀F22XF22F22♂XF22♀F23XF23F22♂XF23♀F24F23♂XF23♀近交系数F动物个体的基因组成中纯合子占所有基因型的比率。也是后代个体基因位点固定同一祖先基因的比率。近交系数计算：Fn=1—（1—△F）n它反映了动物在不同代次的纯化程度。△F：每一代近交系数的上升率连续全同胞的兄妹交配，每一代近交率平均上升19%近交系F20=0.986体型较大动物的近交系培育很难获得成功；因为成功率低，往往成为经济上的沉重负担。如犬和猫连续全同胞兄妹交配20代，需要20年左右的时间；鸡和兔也要花费较长时间。目前根据研究的特别需要，已培育出兔、犬、猫、鸡、羊、猪等的若干近交品系。通常禽类和兔类等实验动物的近交系数达到80％以上时(相当于亲兄妹交配4代)，即可称为近交系。近交系动物的命名以大写英文字母命名，亦可以用大写英文字母加阿拉伯数字命名，符号应尽量简短。如A系，TA1系等。C3hC3HC3HBalb/c,129,A,C57BL/6Beggalbino近交系动物的遗传学特性及应用1.基因纯合性经过连续20代以上的近亲繁殖,近交品系个体基因已有98.6%以上纯合；这样的个体与品系内任何一个动物交配所产生的后代，也应是纯合子。因此，同一近交系动物的基因是一致的，没有暗藏的隐性基因。2.同基因性同一个近交品系中所有个体在遗传上是同源的，个体间极为相似，具有基本相同的遗传组成和遗传特点，也就是基因型相同。因此，同品系个体间可进行组织或肿瘤移植，也可用一只动物检测该品系的基因型。3.表现型的均一性同一近交系动物，在相同环境因素的作用下，由于同基因性，其表现型是均一的，如血型、组织型、体重、毛色、可遗传疾病的发病率、对药物的反应、甚至行为的类型等。因此,使用较少量的近交系动物可达到生物统计需要的精密度。4.遗传稳定性近交系动物的基因高度纯合，坚持近亲交配则增加其在特定部位纯合子，减少了遗传变异，使动物的基因型可长期处于稳定状态，导致近交系动物长期遗传稳定性。近交系动物的遗传变异仅发生在少量残留杂合基因，或基因的突变，而这种几率非常低。5.个体性每个品系在遗传上都是独特的，有些品系可能发生一些疾病，成为研究人类疾病理想的模型。可在众多的近交系中，筛选出对某些因子敏感，和不敏感的品系，以达到不同的研究目的。6.分布广泛性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，引种仅需1-2对动物。不少近交系动物已分布在世界各地，意味着：不同地区，不同国家的科学家有可能重复或验证已取得的理论和数据。7.背景资料和数据较完整近交系动物在培育和保种过程中都有详细记录，一些常用品系具有相当数量的背景资料；有大量文献记载了各种品系的生物学特性。这些有关品系的特征、寿命和自发性疾病等资料，对今后的研究工作的设计和动物实验结果的解释提供便利条件。8.可分辨性每个近交系都有自己独特的生化标志基因。研究者在掌握了遗传质量监测方法后，通过建立品系的遗传概貌，和定期的遗传检测，可以分辨混杂在一起的两个，或两个以上外貌近似的品系动物。近亲交配的意义和弊端意义近亲交配是实验动物获得遗传均一性的典型方法。使用较少的近交系动物，即可达到统计学要求的精密度。同一近交系的全部动物，在遗传上相同，减少了表现型的变异。在个体之间能互相接受皮肤和肿瘤移植。近亲交配的弊端固定基因时，有害的隐性基因也会纯合，出现不利的性状而造成育种失败；近交可能导致多基因之间丧失平衡，从而使高度纯化的动物对不良环境的调节适应能力降低；近交使动物失去为保持足够生物适合度所必需的最低水平的基因杂合性，从而影响动物生长率，寿命，对疾病的感受性，生活力，体力及繁殖能力。随着生物医学科学研究的发展，已培育成功各种人类疾病的动物模型，如：高血压大鼠、癫痫大鼠、糖尿病小鼠、白血病小鼠，白内障小鼠、先天性肌萎缩小鼠、免疫缺陷型小鼠等等。这些近交系动物家系清楚，取材方便，是比较理想的实验材料。1、国内培育的近交系小鼠615小鼠：用KM小鼠与前苏联引进的C57BL雄鼠杂交后培育的近交系。♀常发乳腺癌，♂常发肺癌。可用于白血病研究和抗癌药物筛选。2、国外引进的近交系小鼠BALB/c小鼠：低乳腺癌，但对致癌因子敏感，血压偏高，有心脏损害和动脉硬化，容易饲养，常用于单克隆抗体和免疫学研究。C3H小鼠：野生色，为国际上使用最广品系之一。高自发乳腺癌和肝癌，用于免疫学、肿瘤学、生理学和核医学研究。C57BL/6小鼠：继人类之后第二个完成基因测序工程的哺乳动物。低乳腺肿瘤，对白血病因子和麻疹病毒敏感，有老年肾硬化症。*近交系动物的保持•目前最广泛采用的是建立全同胞亲兄妹交配核心群•保持过程中的技术问题•选择与淘汰•少量生产核心群内得到•大量生产红绿灯制*近交系动物的生产“红绿灯制”核心群（B×S)扩大繁殖群（B×S)生产群（随机交配）第一代绿牌第二代黄牌第三代红牌2.封闭群(远交群)ClosedcolonyorOutbredstock封闭群动物的概念以非近交交配方式进行繁殖生产的一个实验动物种群，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，称为一个封闭群，或叫远交群。封闭群群体世代间近交系数上升率必须低于1%。在相同品种不同动物群体内和同一群体不同动物个体间，具有某种程度的遗传学差异。近交系数上升率△F=1/N♂+1/N♀当N♂=N♀=n时(n为对数）△F=2/n例如WISTAR和SD大鼠、我国各研究单位长期自行繁殖的KM小鼠、青紫兰兔、新西兰白兔、大耳白兔等均属此类。封闭群动物的命名封闭群由2-4个大写英文字母命名。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表示美国国立卫生研究院（N）保持的NIH封闭群小鼠。Ssmu:KM表示上海第二医科大学（Ssmu）保持的KM封闭群小鼠。封闭群动物的遗传学特性及应用对于封闭群的研究，无论在理论上还是实践上，无论在国内还是国外，都落后于近交系。其原因在于封闭群是属于群体遗传理论范畴，不仅群体遗传学本身产生较晚，而且该理论又不能机械地套用于封闭群。至今，对封闭群动物的研究工作几乎都局限于实验小鼠和大鼠，且资料也甚少。1.基因库大，杂合率高封闭群是一种长期与外界隔离，雌雄个体间能够随机交配的动物群，其遗传组成比较接近自然状态下的动物群体结构，具有类似于人类群体遗传异质性的遗传组成。其基因的杂合率较高，个体间的基因型不一致，因此，群体基因库较近交系大。2.群体基因频率基本保持稳定封闭群动物不从其外部引入新基因，又坚持随机交配，群体基因频率可达到哈台—温伯格平衡，从而使群体在一定范围内保持相对稳定的遗传特征。3.封闭群内个体间差异程度主要取决于其祖代起源起源于近交系的封闭群遗传差异较小。如NIH：Car-2（3），bEs-3（11），cEs-10（14），a起源于非近交系的封闭群内个体间差异较大。如KM：Car-2，a，b；Es-3，a，b，cEs-10，a，b，c且可携带隐性的有害基因，或致死基因，易于诱发突变。封闭群动物的遗传组成具有很高的杂合性其繁殖力和生活力较强表现为平均胎产仔数多，胎间隔短，仔鼠离乳率高，生长快，成熟早，抗病力强，寿命长；生产成本低，可大量供应广泛用于各种预试验、学生教学和常规的药物筛选和毒性试验中。*封闭群动物的保持和生产•随机繁殖法•分组循环法•最大限度避免近交法分组循环法组别：ABCDN代：♀♂♀♂♀♂♀♂N+1代♀♂♀♂♀♂♀♂最大限度避免近交法在分组循环法的基础上采取“留雄不留雌”、“留雌不留雄”的原则。*3.杂交F1就是将不同近交系动物进行交配。假设近交系A的基因型为A1/A1，B1/B1，C1/C1……；近交系B的基因型为A2/A2，B2/B2，C2/C2……。两种品系内的血缘系数R=1；而两种品系间无共同的祖先R=0。把这两种品系进行杂交，产生F1的基因型是均一的A1/A2，B1/B2，C1/C2……；个体各基因位点均是杂合型，又保持了个体遗传均一性，即F1的各个体间血缘系数R=1；还可能出现新的遗传特性。如近交系NZB和NZW的F1中发现了自身免疫性疾病鼠。*4、重组近交系重组近交系由两个近交系杂交后，经连续20代以上兄妹交配育成的近交系。第二节实验动物遗传学质量控制随着生物医学科研的发展及其需要，目前世界上已培育成功数百种近交品系和封闭群动物，加上不同的亚系和新建的突变群，其总数（品系）达2500之多。在各科研或教学单位的实验动物饲育繁殖部门，一般都保持几个或几十近交系。而在多个品系动物生产繁殖过程中，无法确保绝对不发生计划外杂交。有必要进行实验动物的遗传质量控制科研人员都希望证明各自所得到的品系动物的遗传背景是符合标准的；生产繁殖部门希望确证：所提供的实验动物符合遗传控制的质量。随着各种新技术，新检测方法的建立，可用于实验动物遗传质量检测的新技术也越来越多。国际实验动物理事会提出了实验动物质量检测必须符合“4E原则”。准确Exact简便Easy有效Efficient经济Ec