生物化学：实验动物遗传控制

实验动物遗传控制

GeneticControlofLaboratoryAnimal

西安交通大学医学部教学大纲第一节实验动物标准化第二节实验动物遗传育种第三节遗传质量控制西安交通大学医学部第一节实验动物标准化

StandardizationofLaboratoryAnimal西安交通大学医学部定义：实验动物生产条件（环境和设施）标准化、实验动物质量标准化（微生物学和寄生虫学控制及遗传质量控制）、动物实验条件标准化。要达到这几个“标准化”，必须对实验动物进行微生物学控制、遗传控制、营养控制、环境和设施控制。实验动物标准化的内容

ContentStandardizationofLAGeneticstandardization

遗传控制标准化Microbiologicalstandardization

微生物控制标准化Environmentalstandardization

环境和设施标准化Nutritionalstandardization

营养控制标准化西安交通大学医学部实验动物标准化西安交通大学医学部遗传微生物环境营养实验动物标准化的可行性Inrecentdecades,therehavebeensignificantdevelopmentsinlaboratoryanimalscienceinthefieldofmicrobiology,

genetics,nutritionandenvironment,includingtemperature,humidity,lightintensity,lightcycle,beddingandventilationofdifferentspecies.Thisledtopossibilityofstandardizationinlaboratoryanimalscience.西安交通大学医学部Toincreasethereproducibilityofgroupmeanresultsfromoneexperimenttoanother.Toimprovecomparabilityofresultswithinandbetweenlaboratoriesintheworld.Toreducethevariationinquantitativemeasurementvaluesinapparentlyidenticalanimalswithagivenexperiment.实验动物标准化的意义西安交通大学医学部Todecreaseinthenumberoflaboratoryanimalsusedinexperimentalresearch.Toincreasethecredibilityofresultsofananimalexperiment,duetothedecreaseinvariation.

实验动物标准化的结果西安交通大学医学部第二节实验动物遗传育种

GeneticBreedingofLaboratoryAnimal

种、品种、品系自然选择和人工选择动物育种时采用的几种交配方式西安交通大学医学部种Species“种”（物种）：生物分类的基本单位。如，小鼠在生物分类中属于脊椎动物门、哺乳动物纲、啮齿目、鼠科、小家鼠属、小家鼠种。命名：属名+种名。小鼠：Musmusculus物种的形成是自然选择的结果。“亚种”：占据不同地理分布区或宿主、互不重叠、生殖隔离不完善并具有一定形态差异的生物类群。命名：属名+种名+亚种名。小鼠：Musmusculusdomestics西安交通大学医学部

自然选择物种起源：由于突变和基因重组，使个体产生遗传变异；在自然选择的作用下，有利变异在种群内发展，基因频率增高；种群的隔离和性状分歧加深，导致新种的形成。基因频率：选择的最大作用在于能定向地改变种群的基因频率，从而改变生物类型。西安交通大学医学部品种(Stock)、品系(Strain)品种（Stock）：同一种动物中，有相同或相似的生物学特性构成的群体，如突变种和远交种。品系（Strain，Line）：用计划交配方法获得的、起源于共同祖先的一群个体的总称。来源相同、性状相似、遗传性稳的动物。如，白血病高发品系小鼠有AKR、C57。品种和品系的形成是人工选择的结果。西安交通大学医学部人工选择品种形成：人工选择使进化方向发生改变，由更加适应自然变为更加有利于人类。自然选择/人工选择差异：

选择方向、根据、范围、目的、速度、类型不同西安交通大学医学部品系或品种特性相似的外貌特征独特的生物学特性稳定的遗传性能具有共同的遗传来源和一定的遗传结构西安交通大学医学部动物的交配方式

近亲交配杂交远缘交配随机交配西安交通大学医学部近亲交配近亲交配(Inbreeding):aresultofthematingofindividualswhicharerelatedtooneanotherbyhaving

oneormorecommonancestors

有血缘关系的个体之间的交配

近交系数(InbreedingCoefficient):theprobabilitythatthetwogenesatanylocusareidenticalbydescent

个体的两个相同基因源于同一祖先的概率

Fn=1-(1-△F)n（n，近交代数；△F，每一代近交系数上升率）近交衰退(inbreedingdepression):adeclineinreproductiveperformance,abilitytosurvive

andothercharacteristicsassociatedwithfitnessasaresultofinbreeding西安交通大学医学部重复回交(Repeatedbackcross)亲子交配(Parentoffspring)兄妹交配(Brothersister)半同胞交配(Halfbrothersister)实验动物的近交方式西安交通大学医学部0.20.40.60.81.05101520InbreedingCoefficientGenerationsB(Random,5pairs)A(BXS)C(Random,80pairs)西安交通大学医学部杂交、远缘交配、随机交配杂交：指同一品系或同一品种内没有亲缘关系的个体之间的交配(outcross)；或不同品种或品系个体间的交配(crossbreed)。杂交的后代具有杂交优势(hybridvigor)远缘交配：指不同物种间、不同属间或更远关系间的个体交配。马和驴正反交均可进行，后代基本无繁育能力。随机交配(randommating)：指所有的雌性动物与雄性动物完全不作选择的交配。西安交通大学医学部XCategoriesofgeneticcrosses

DesignationTypesofmatingOffspringgenotypesMajorusesBackcrossA/aXA/AA/aXa/aA/a,A/A

A/a,a/aLinkageanalysis;productionofcongenicstrainsIncross(1)A/AXA/A(2)a/aXa/aA/A

a/aMaintenanceofaninbredstrainIntercrossA/aXA/aA/a,A/A,a/aLinkageanalysisOutcrossA/AXa/a

a1/a2Xa3/a4A/a[a1/a3,a1/a4,

a2/a3,a2/a4]Initialstepinstrainproductionandlinkageanalysis;productionofF1hybrids西安交通大学医学部实验动物新品种、新品系培育育种思路：创造(人工诱变或杂交)或发现变异、通过人工选择在群体中扩散这种变异。质量性状、数量性状选择选择方法(数量性状)：个体选择、家系选择、家系内选择、合并选择西安交通大学医学部第三节遗传控制标准化

GeneticStandardizationGeneticallyDefinedStocks

遗传限定动物NotGeneticallyDefinedStocks

非遗传限定动物GeneticQualityControl

遗传质量控制西安交通大学医学部遗传质量控制标准化

GeneticStandardizationGeneticallyDefinedStocks遗传限定动物NotGeneticallyDefinedStocks非遗传限定动物GeneticQualityControl遗传质量控制西安交通大学医学部遗传限定动物的含义Geneticallydefinedstrainisanystraininwhichthegeneticbackgroundisknown,issimilaroridenticalfromoneanimaltoanother,andcanbefaithfullyreproducedovertime.Abriefdescriptionfollowsofthetypesofgeneticallydefinedstocksavailabletoresearchworkers,including

inbred,coisogenic,congenic,and

segregatinginbred,F1hybrid

andrecombinantinbredstrains,and

mutantand

outbredstocks.西安交通大学医学部西安交通大学医学部近交系inbredstrains杂交一代F1hybrid突变近交系coisogenicstrains导入近交系congenicstrains分离近交系segregatinginbredstrains重组近交系recombinantinbredstrains远交系outbredstocks遗传限定动物的常用类型西安交通大学医学部西安交通大学医学部实验动物按遗传特点分类近交系（inbredstrain）封闭群（closedcolony/outbredstock）杂交群（hybridstrain）西安交通大学医学部Eachinbredstrainistheresultof20ormoreconsecutivegenerationsofsingle-pairbrotherxsistermating.

指连续兄妹交配、或相当于兄妹交配20代以上培育的动物品系。Theinbreedingcoefficientachievedis0.986.

近交系数大于98.6%

Individualsofaninbredstrainareinmanywayssimilartoasetofmonozygotictwins,andtheyaffordapowerfultoolinmanyareasofbiomedicalresearch

近交系的定义西安交通大学医学部GenerationInbreedingCoefficientRepeatedbackcrossParentoffspringorbrothersisterHalfbrothersister10.5000.2500.12530.8750.5000.30550.9690.6720.44960.9840.7340.50970.9920.7850.56380.9960.8260.61190.9980.8590.654100.9990.8860.691120.9260.755140.9510.806160.9680.946180.9790.878190.9830.891200.9860.903InbreedingCoefficientUnderThreeSystemofInbreeding

近交系的现状478inbredmousestrains(includingTA1,615,LIBP/1,NJS,T793,bredbyChinese)234inbredratstrains30inbredhamsterstrains.2inbredrabbitstrainsafewcompletelyinbredguineapigstrainsexisttoday,Othersarepartiallyinbred(ChineseinbredMini-pig）?西安交通大学医学部近交系的命名方法一般以大写英文字母或大写英文字母加阿拉伯数字命名。如，BALB,DBA,TA1,C3H等。一些历史较长，已经广泛使用并获得认可的品系除外，如129等。西安交通大学医学部亚系（substrain）定义：由同一个近交系分离出来的具有各不相同特性的品系，称为原品系的亚系。形成：兄妹交配代数达40代以前形成的分支。命名：在品系名称后加一道斜线（/），斜线后标明亚系的符号。西安交通大学医学部亚系的符号数字，如DBA/1、DBA/2等。培育或产生亚系单位或人的缩写英文名称，如A/He，CBA/J。当一个保持者保持的近交系具有两个以上的亚系时，可在数字后再加保持者的缩写英文名称来表示亚系。如C57BL/6J，C57BL/10J。例外：BALB/c、C57BR/cd等。西安交通大学医学部Thefirstinbredmousestrain,DBA(whichhasthecoatcolouralleles,dilute,d,brown,b,andnon-agouti,a)wasstartedbyLittlein1909.近交系的起源

OriginofInbredStrains西安交通大学医学部ClarenceCookLittle(center,holdingmouse)Otherinbredstrainsweregeneratedoverthenextdecade,includingC57BL,C3H,CBAandBALB/cAtpresently,manystrainshavebeenbredformorethan150generationsandareessentiallyhomozygousatallloci近交系的起源

OriginofInbredStrains西安交通大学医学部Examplesofsomecommonlyusedmousestrains129/SvJBALB/cA

C3H/HeN

C57BL/6J

BALB/c-nu西安交通大学医学部C57BL/6hasanincreasedpreferenceforalcoholandnarcoticsandisusedinstudiesofthegeneticsofsubstancepreferenceThelargepronucleiofFVBinbredstrainmiceareusefulforgenetransferexperimentsinvolvingdirectDNAinjectionofthefertilizedegg129EScellsareparticularlysuccessfulingermlinetransmissionThesensitivityofBALB/candC3Hmicetomutagenesisbyethylnitrosourea(ENU)hasbeenvaluableinmutagenesisprogram近交系：SpecificPhenotypes

西安交通大学医学部西安交通大学医学部西安交通大学医学部特点：近交系，棕褐色。129近交系小鼠对自发的睾丸畸胎瘤有高发病率，其不同的亚系发病率不同。现在129小鼠由于其多胚胎干细胞的有效提取而被广泛的应用于定向突变模型的生产。在受到一定刺激后，129小鼠会发生免疫介导的肾炎，伴随出现蛋白尿、肾小球肾炎和小管间质疾病。129/SvJ西安交通大学医学部西安交通大学医学部西安交通大学医学部Reproductivecharacteristicsofsomeimportantinbredstrains

StrainProductive

matingWeeksat

firstmatingLittersizeNo.oflittersRelative

fecundityResponseto

superovulation129/SvJ75%7.95.94.118.1HighA/J65%7.66.32.911.9LowAKR/J84%6.66.12.211.3-BALB/cJ47%8.05.23.8

9.3LowC3H/HeJ86%6.75.72.914.2LowC3H/HeOuJ99%5.96.43.723.4-C56BL/6J84%6.87.04.023.5HighC57BL/10SnJ67%7.76.32.811.8-CBA/CaJ96%6.46.92.717.9HighDBA/2J75%7.45.43.915.8LowFVB/N>90%-9.54.841.0ModerateSJL/J72%7.46.03.113.4High西安交通大学医学部近交系的特性纯合性Homozygosity同基因性Isogenicity表型一致性

Uniformity长期稳定性

Long-TermGeneticStability可鉴定性

Identifiability独特性

Individuality国际分布性

InternationalDistribution背景资料

BackgroundData西安交通大学医学部基因纯合性HomozygosityAllanimalsofaninbredstrainarehomozygousatvirtuallyallgeneticloci,suchthatananimalwillbreedtrueifmatedtoanotheranimalofthesameinbredstrainTherewillbeno"hidden"recessivegenes

Theterm"isogenic"meansthatallindividualsaregeneticallyidentical.Asaconsequence,skingraftsandtumorsexchangedbetweenmembersofthesameinbredstrainwillnotberejectedBecauseanyoneindividualwillhaveacompletesetofthegenespresentinthewholeinbredstrain,daughtercoloniesmaybesetupindifferentlaboratoriesthatwillbegeneticallyidenticalwiththeparentcolony同基因性IsogenicityBecausetheyareisogenic,inbredstrainswillbeuniformwithrespecttoallsuchhighlyheritablecharacteristicsasbloodandtissuetypes,biochemicalpolymorphisms,andmanymorphologicalfeatures表型一致性

Uniformity长期遗传稳定性

Long-TermGeneticStabilityInbredstrainscanchangegeneticallyonlyasaresultoffixationofthesmallamountofheterozygosityremainingafterinbreeding,orofnewmutationTheyusuallydonotrespondtoselectionSotheinbredstrainshavelong-termgenotypeandphenotypestability可鉴定性

IdentifiabilityMostofthecommoninbredstrainshavebeentypedatmanygeneticloci.Theselocimaynowbeusedinturntoidentifytheinbredstrain.Suchothertechniquesasskingraftingandstudiesofmandibleshape,immunologicalandbiomedicaltypingmayalsobeusedtoidentifyanimalsfromindividualstrainsIftwoinbredstrainsshouldaccidentallybecrossed,thiswillsoonbedetected

独特性

IndividualityEachinbredstrainisgeneticallyunique;itdiffersfromeveryotherinbredstrainforaverywiderangeofcharacteristicsSomestrainswilldevelopspontaneousdiseasesthatmaybeusedasmodelsofdiseaseinhumansInothercasesthedifferencesarequantitativeratherthan

qualitative,butthesemaystillproveusefulinresearch国际分布性InternationalDistributionMostofthecommoninbredstrainsofmice,rats,andguineapigsareinternationallydistributed.Thismeansthatitistheoreticallypossibletoduplicate,inalmostanylaboratoryintheworld,experimentsoriginallyconductedinLondon,Tokyo,Xi‘an,orNewYorkItisclearlyhighlydesirablethatresearchworkersthroughouttheworldshouldbeabletousethesamegeneticmaterial背景资料

BackgroundDataThereisnowaveryconsiderableliteratureonthecharacteristicsofmostofthecommoninbredstrainsofmice,andtoalesserextentofrats,hamsters,andguineapigsSuchbackgrounddataareessentialinplanningandinterpretingexperimentalresults动物反应个体之间极为一致，可消除杂合遗传背景对实验结果的影响，实验组和对照组只需少量的动物。个体之间组织相容性一致，可用于研究器官、组织、细胞或肿瘤移植。由于近交，隐性基因纯合性状得以暴露，可获得大量先天畸形的动物模型。一些近交系具有一定的自发或诱发肿瘤发病率，可作为肿瘤学动物模型。比较遗传学、生理学和胚胎生物学研究。近交系动物的应用特殊近交系同源突变近交系（coisogenicinbredstrain）同源导入近交系（congenicinbredstrain）分离近交系（segregatinginbredstrains）重组近交系（recombinantinbredstrain）重组同类系（recombinantcongenicstrain）西安交通大学医学部Onceamutanthasbeenplacedonaninbredgeneticbackground,itseffectsmaybestudiedinmaterialthatcanbereplicatedinthewaythatinbredstrainscanbereplicated.Indealingwithsomemutants,theonlyeffectivewaytostudytheirimpactistoeliminatebackground"noise"bythedevelopmentofcongeniclines.Congeniclinesofmicearewidelyavailable,andthereareafewcongeniclinesofrats,aswellasafewsegregatinginbredstrainsofrabbitsandchickens.

生命科学研究的需要Whywecreatethesekindofinbredstrain?同源突变近交系

CoisogenicInbredStrainsApairofinbredstrainsthatdifferatonlyasinglegeneticlocus,resultingfromamutationfollowedbyseparationintomutant-bearingandnormalsub-strains,aresaidtobe"coisogenic"一个近交系的某一基因位点上发生突变而分离出来的近交系亚系，它和原来近交系的差异只是发生突变的基因位点上带有不同的基因，而其它位点上的基因完全相同，如DBA/Ha-D。基因突变造成的裸小鼠（nudemouse）1962年英国格拉斯哥医院Grist在非近交系的小鼠中偶然发现有个别无毛小鼠。四年后，爱丁堡动物研究所沸拉那根（Flanagan）又证实这种无毛小鼠是由于染色体上等位基因突变引起的，有一种新的无毛基因，命名为“裸体”（Nude）小鼠，用“nu”表示。严重联合免疫缺陷小鼠

起源:1983年由美国的FoxChase癌症中心的Bosma发现于C.B-17Icr近交系中,位于16号染色体的称之为scid的单个隐性突变基因所导致的严重免疫缺陷.SCID免疫学特征:组织、器官:外观与正常小鼠无异,生长发育正常,但胸腺、脾、淋巴结的重量为正常的30%,组织学上表现为淋巴细胞缺失;胸腺没有皮质结构,仅留残迹;脾脏无淋巴细胞聚集;淋巴结无明显的皮质区,副皮质区缺失,呈淋巴细胞脱空状,由网状细胞占据.免疫:所有的T、B细胞功能测试均为阴性,对外源性抗原无细胞免疫及抗体反应,体内缺乏携带前B细胞、B细胞和T细胞表面标志的细胞;外周血白细胞较少,淋巴细胞占白细胞总数的10%-20%.

通过回交或回交兼互交等方法将一个基因导入到近交系中，由此形成一个新的近交系，该近交系与原来的近交系只是在一个很小的染色体片段上的基因不同，称为同源导入近交系。如B10.129-H-12b。同源导入近交系

CongenicInbredStrains西安交通大学医学部Creationofacongenicstrain.Ahighlyschematicrepresentationoftherelativecontributionsofdonorandrecipientallelesatsequentialgenerationsofbackcrossing.++mmX+m+mXmm++Xmmetc.(10X)InbredStrainAInbredStrainB(Donor)CrossIntercrossBackcrossCross-intercross-backcrossSystemfortheProductionofCongenicStrainsSchematicrepresentationofthegenerationofacongenicstrainfromtwogeneticallydifferentratstrains

Genomichomogeneityandheterogeneityduringthecreationofacongenicstrain.ConsomicStrain

(ChromosomeSubstituteStrain)AninbredstraininwhichachromosomeisexchangedbyahomologouschromosomeofanotherinbredstrainForexample,

C57BL/6J-YAKR

isaconsomicstrainwiththeY-chromosomeofstrainAKRbackcrossedontoC57BL/6JSchematicrepresentationofthederivationofaconsomicstrain

Generationofcongenicratsfromconsomicstrains

分离近交系

SegregatingInbredStrainsInbredstrainsthataresegregatingatamutantlocusmayalsobeproducedasaresultofbackcrossing,butwithoutsubsequentlymaintainingtwoseparatesub-lines在近交培育的过程中，采用特定的交配方法，迫使一个或多个已知位点上的基因处于杂合状态，从而培育成分离近交系。它能分离出该基因位点上带有不同等位基因的两个近交系亚系。重组近交系

RecombinantInbredStrainsRecombinantinbredstrainsaredevelopedbybrotherxsisterinbreedingfromtheF2ofacrossbetweentwoinbredstrains.Eachsetshould,ideally,consistofbetween20and30independentstrainsdevelopedinthisway两个近交系杂交后的子二代，再兄妹交配连续交配20代以上育成的一系列近交系。XInbredStrainsF1HybridN=20BALB/cC57BL/6(AXB)F1F2CXB-1CXB-3CXB-2etc.SchemefortheProductionofRecombinantInbredStrainEstablishedsetsofrecombinantinbredstrainsSetExtant

strainsFemale

progenitorMale

progenitorNumberof

locitypedAvailabilityAKXD22AKR/JDBA/2J239JAXAKXL16AKR/JC57L/J287JAXAXB/BXA30bA/JC57BL/6J209JAXBXD26C57BL/6JDBA/2J818JAXBXH12C57BL/6JC3H/HeJ329JAXCXB13BALB/cByC57BL/6By281JAXCXJ7BALB/cBySJL/J32JAXCXS14BALB/cHeASTS/A104J.HilgersLXB3C57L/JC57BL/6J?JAXLXPL5C57L/JPL/J28JAXNX1295NZB/B1NJ129/J36JAXNX813NZB/ICRC58/J37R.RibletNXSM15NZB/B1NJSM/J145JAXOXA14O20/AAKR/FuRdA71J.HilgersSWXJ14SWR/JSJL/J11JAXSWXL3SWR/JC57L/J111JAX重组同类系

RecombinantCongenicStrainsRecombinantcongenicstrainrepresentaseriesinbredstrains,whicharederivedfromthesecondorthirdbackcrossgenerationoftwounrelatedinbredprogenitorstrains,oneservingasbackground(recipient),theotherasdonorstrains由两个近交系杂交后，子代与两个亲代中的一个进行数次回交，通过不对特殊基因进行选择的近亲交配而育成的近交系。近交系动物的繁殖方法原则：保持近交系动物的同基因性及其基因纯合性。引种：来自近交系的基础群（foundationstock）。繁殖：分为基础群、扩繁群和生产群。近交系动物的繁殖

ManagementofInbredStrainsAncestors(BXS)FoundationColony(BXS)ExpansionColony(BXS)ProductionColony(RandomMate)特殊近交系的应用在同一遗传背景下比较某基因位点上不同等位基因的遗传效应。在不同遗传背景中，研究同一基因与遗传背景及其它基因的关系。清除杂合遗传背景对某些突变基因表达的影响，以获得更稳定的实验动物模型。对复杂的多基因性状进行遗传分析。西安交通大学医学部

定义：是以非近亲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代以上的群体。 远交系OutbredStock封闭群 Closedcolony

Ananimalpopulationthatismaintainedwithouttheintroductionofanimalsfromothersources.西安交通大学医学部远交系的特征遗传组成具有很高的杂合性；具有类似于人类群体异质性的遗传组成；具有较强的繁殖力和生活力，对疾病抵抗力强，寿命长，生产成本低；突变种所携带的突变基因通常导致动物在某方面的异常，可作为医学研究模型。西安交通大学医学部远交系的应用研究某些性状遗传力。人类遗传研究、药物筛选和毒性试验等。预实验、教学研究。生理学、胚胎学和医学研究模型。西安交通大学医学部ThesizeofthebreedingcolonyThemethodofchoosingbreedinganimalsforthenextgenerationThemethodofmatingtheanimalsthatarechosen影响远交系动物质量的因素西安交通大学医学部突变群

MutantStocksAmutantstockisanyoutbredstockthatcarriesaspecificMendelianmutationMorethan3000

mutantshavenowbeendescribedinthemouse,andmaintainedatJacksonLabMutantsofbiomedicalinteresthavealsobeendescribedintherat,hamster,rabbit,dog,chicken,andseveralotherspecies西安交通大学医学部杂交一代F1hybridAnF1hybridisafirstgenerationcrossbetweentwoinbredstrains

两个不同近交系杂交产生的第一代动物。

Theyareveryvigorousandareusuallylesssensitivetoenvironmentalin