一、基本概念
近交系动物是指至少经过20代以上连续全同胞或亲子交配,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的动物群。近交系的近交系数(inbreeding coefficient)应大于99%。近交系动物经过20代以上近交以后,个体有98.6%以上的遗传位点是纯合的,个体间遗传差异小,而不同近交系之间南于近交而固定的基因不同,因此遗传差异很大。每个近交系都有各自特有的遗传组成和生物学特性,且在长期传代和世界各地分布后保持不变。近交系一般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、TAl系等。近交系的近交代数用大写英文字母F表示。例如当一个近交系的近交代数为57代时,写成(F57)。常用小鼠近交系名称缩写见表7-2。
表7-2 常用小鼠近交系名称缩写
二、亚系(substrain)的形成
育成的近交系可能由于残余杂合性和突变而导致部分遗传组成的改变。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3种情况会发生亚系分化。
1.在兄妹交配代数达40代以前形成的分支(即分支发生于F0到F40之间)。此时形成分支的主要原因是残留杂合(residual heterozygosity)。
2.一个分支与其他分支分开繁殖超过100代。此时突变是亚系分化的主要原因。
3.已发现一个分支与其他分支在遗传上差异。产生这种差异的原因可能是残留杂合、突变或遗传污染(genetic contamination)。由于遗传污染而形成的亚系,通常与原品系之间遗传差异很大,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AZG。亚系的命名方法是在原品系的名称后加一道斜线,斜线后标明亚系的符号,如DBA/2、C57BL/6J等。有些近交系的不同亚系之间遗传差异较大,对实验处理的反应不同,在实验报告或论文中应注明所使用的业系名称。
三、近交系动物的应用
由于近交系动物具有诸多优点,得到越来越广泛的应有。
1.与封闭群相比,近交系动物个体之间极为一致,对实验反应一致,可以消除杂合遗传背景对实验结果的影响,因此在实验中,实验组和对照组都只需少量动物。
2.某些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,因此,近交系动物成为必不可少的动物模型。
3.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,如糖尿病动物模型、高血压动物模型等。这些动物家系清楚,取材方便,是进行基因连锁分析、比较遗传学、生理学和胚胎生物学研究的理想实验材料。
4.某些近交系具有一定的自发或诱发肿瘤发病率,并可以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。
5.多个近交系同时使用可使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。
四、特殊类型的近交系及应用
特殊类型的近交系包括重组近交系、重组同类系、同源突变近交系和同源导入近交系,还有转基因动物、嵌合体小鼠、克隆动物等通过生物技术手段产生的动物。
(一)重组近交系和重组同类系
1.来源 重组近交系(recombinant inbred strain,RI)是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;重组同类系(recombinant congenic strain,RC)是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(通常回交2次),通过不对特殊基因进行选择的近亲交配而育成的近交系。可以看出,重组同类系是广义的重组近交系,培育的目标更明确。重组近交系的发展使用,是哺乳类动物遗传学中最重要的发展。重组近交系提亲代的两个近交系称为祖系(progenitor strains)。
2.命名
(1)重组近交系的命名由两个亲代近交系的缩写名称中间加大写英文字母X命名。由相同双亲交配育成的一组近交系用阿拉伯数字予以区分。例如:由BALB/c与C57BL两个近交系杂交育成的一组再组近交系,分别命名为CXB1、CXB2……
(2)重组同类系的命名:由两个亲代近交系的缩写名称中间加小写英文字母c命名,用其中做回交的亲代近交系(称受体近交系)在前,供体近交系在后。由相同双亲育成的一组重组同类系阿拉伯数字予以区分。如CaS1,表示由以BALB/c(C)为亲代受体近交系,以STS(S)品系为供体近交系,经2代回交育成的编号为1的重组同类系。
3.应用 重组近交系在对祖系之间有差异的性状和基因的遗传分析中是非常有用的实验材料,尤其是针对因测试需要而使动物不能繁殖的性状,以及需要对多个个体进行平均估计的性状。虽然一个重组近交系系列是一个相互关联的整体,如果一个重组近交系系列品系数量较多的话,就可以同时进行下列分析。
(1)分离分析:一个重组近交系系列可用于测试某个性状的遗传性和遗传规律。
(2)连锁分析:重组近交系可用于对未知基因进行染色体定位,估计该未知基因与其他基因的连锁关系。把未知基因的品系分布模式与一些已知的标记基因进行比较,就能进行基因定位。
(3)功能分析:重组近交系可用于分析单基因多效性或决定基因型和表型的关系。如果在重组近交系中没有发现两个性状的交换,这两个性状就有可能由同一基因所控制,或者由两个紧密连锁的基因所控制。重组近交系在应用中也有一定局限性,只能用于祖系中存在的、并且有差异的性状和基因的分析。再者,在一个重组近交系系列中,如果品系太少,所作出的分析就不可靠。通常维持重组近交系的费用也较大。
(二)同源突变系和同源导入系
同源突变近交系、同源导入近交系都涉及在近交系内对个别位点上的基因进行控制的问题。
1.同源突变近交系(coisogenic inbred strain)指两个近交系,除了一个指明位点等位基因不同外,其他遗传基因全部相同的品系,同源突变近交系和原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,而其他位点上的基因完全相同。同源突变近交系有别于通常所说的近交系亚系分化,因为这里的突变相当明确地改变了原近交系的遗传组成,而且研究者更加注意了突变基因的研究。
2.同源导入近交系(congenic inbred strain)通过杂交-互交(cross-intercross)或回交等方式将一个基因导入到近交系中,由此形成的一个新的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,简称同源导入系或同类系。这种培育方法导致育成近交系和原近交系几乎是同源的状态。在基因导入过程中,与差异基因紧密连锁的其他基因很可能随差异基因一起导入到近交系的基因组。这些随之带入的基因称为乘客基因(passenger gene)。因此,同源导入近交系不是差异基因与原近交系不同,而是带有差异基因的-小段染色体不同。在实际应用中,必须记住可能存在的乘客基因。同源导入近交系与同源突变近交系的不同之处在于与原来近交系相比较,前者是一个染色体片段的差异,后者是一个位点上单个基因的差异。
3.命名 同源突变近交系由发生突变的近交系名称后加突变基因符号(用英文斜体印刷体)组成,二者之间以连接号分开,如:DBA/Ha-D。同源导入系名称由以下三部分组成:①接受导入基因的近交系名称;②提供导入基因的近交系的缩写名称,并与①之间用英文句号分开;③导入基因的符号(用英文斜体),与②之间以连字符分开。例如:B10.129-H-12b,表示该同源导入近交系的遗传背景为C57BL/10sn(=B10),导入B10的基因为H-12b,基因提供者为129/J近交系。
4.应用 这两个近交系主要应用在下列方面。
(1)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。例如,小鼠的不同组织相容性基因(H-2系统)对免疫反应、动物寿命和繁殖有不同的影响。
(2)在不同遗传背景中,研究同一基因与遗传背景及其他基因的关系。例如不同遗传背景小鼠对糖尿病基因(db)的表达有一定的影响。
(3)清除杂合遗传背景对某些突变基因表达的影响,以获得更为稳定的实验动物模型。例如,在杂合背景的小鼠群中发现裸基因(nu),导入近交系后,就能获得重复性更好的免疫和肿瘤研究模型。
(4)对复杂的多基因性状进行遗传分析。例如小鼠组织相容性性状是由多个位点上的基因所决定。
(三)嵌合体小鼠(chimeric mice)
嵌合体小鼠技术最初是用两对不同毛色的近交系小鼠如白毛色的SJL小鼠和黑毛色的BL/10小鼠,当受精卵分裂为8个分裂球时,分别从各自母体子宫分离下来,使之黏合形成双倍体早胚,继续培养至128~256个细胞的胚囊。然后,把胚囊移植到寄生母鼠的子宫内,让其继续生育,获得嵌合体小鼠。研究嵌合体小鼠的性状,发现其将双亲的各种不同性状都嵌合起来。随着ES细胞研究的日益深入,现在制作嵌合体小鼠的技术比较成熟,出现了大量的嵌合体动物。近年来,嵌合体动物已广泛应用于动物细胞和组织的研究,其重要性日益突出。
五、近交系动物的繁殖方法
选择近交系动物繁殖方法的原则是保持近交系动物的基因纯合性。因此,从引种一直到繁殖生产过程,始终牢记这一点尤为重要。
(一)引种
作为繁殖用原种的近交系动物必须遗传背景明确,来源清楚,有较完整的资料(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)。
(二)繁殖
继续保持兄妹交配方式。近交系动物的繁殖可分为基础群、血缘扩大群和生产群。当近交系动物生产供应数量不是很大时,一般不设血缘扩大群,仅设基础群和生产群。
1.基础群 设基础群的目的,一是保持近交系自身的传代繁衍,二是为扩大繁殖提供种动物。基础群严格以全同胞兄妹交配方式进行繁殖;应设动物个体记录卡(包括品系名称、近交代数、动物编号、出生日期、双亲编号、离乳日期、交配日期、生育记录等)和繁殖系谱;基础群(包括血缘扩大群)动物不超过5~7代都应能追溯到一对共同祖先。
2.血缘扩大群 血缘扩大群的种动物来自基础群。以全同胞兄妹交配方式进行繁殖;也应设个体繁殖记录卡;血缘扩大群动物不超过5~7代都应能追溯到其在基础群的一对共同祖先。
3.生产群 设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。生产群动物一般以随机交配方式进行繁殖;应设繁殖记录卡;生产群动物随机交配繁殖代数一般不应超过4代,所以,要不断从基础群或血缘扩大群向生产群引入动物,确保基础群与生产群动物的血缘关系和遗传一致性。有人称这种方式为红绿灯制度,即第一代为白标签,第二代为绿标签,第三代为黄标签,第四代为红标签,不再继续繁殖。应注意生产的动物要全部作为实验用动物提供,不得留种,种子动物从扩大群中引入。
基础群、血缘扩大群和生产群的相互关系及动物生产的流程概括如图7-2所示。基础群原则上每一代需要有4~8只(雌、雄各2~4只)为下一代所用,剩余的动物直接供给血缘扩大群,经过血缘扩大群的扩至一定规模,提供给生产群,用于动物的大量生产。
图7-2 近交系动物的生产过程
(→表示动物的流程)