请记得,只有您可以防止遗传漂变

什么是遗传漂变?

您是否觉得以下情形似曾相识?

  • 案例1:我们的鼠群中通常全是有着黑色被毛的小鼠,但在这最近一窝小鼠中却有一只的被毛上有一小白点。虽然我不会将它用于繁育或实验,但感觉这有些奇怪。
  • 案例2:我们的鼠群中没有足够数量的小鼠作对照,所以我从另一实验室的朋友那里获取了一批相同品系的小鼠。
  • 案例3:我从一名2年前离开实验室的博士后那里接手了一基因敲除小鼠的鼠群。

如果您对于上述情形中的任何一种有类似于“嗯,这我们似乎也遇到过......”的感觉,您的实验就可能受到了遗传漂变的不利影响。

遗传漂变是指在小鼠繁育过程中,可能发生在任何一代小鼠基因组DNA中的自发性改变。漂变产生的原因是DNA 复制或修复过程中产生的错误被传递到了生殖细胞。

漂变可以是一些微不足道、看似毫无影响的改变。但它也可能是急剧的,并产生重大的影响。当这些重要漂变确实发生时,小鼠品系的表型就可能会发生改变,从而影响到您的实验结果。有时您知道它发生了,但大多数时候,您无法知晓。

但是,遗传漂变一定是不利的吗?

这取决于您问的是谁,但可以肯定地是,大多数研究人员不希望他们所使用鼠群的基因组发生漂变。

带有小白点的黑色小鼠(案例1)就是您的鼠群发生了遗传 漂变的直观视觉提示。您可能认为这种被毛颜色变化并不是什么大问题,但是,一些被毛颜色相关基因的突变也会对其他的表型带来影响,例如导致免疫力或生育能力的改变等(图1)。

图1在上世纪30年代和40年代,Kit基因的突变在不同的繁育鼠群中均自发产生。除了明显的色素形成缺陷,Kit基因的突变还可以导致免疫和生育能力的缺陷。

此外,如果发生的漂变并没有产生明显的表型,情况又会怎样呢? 这里有一个真实的案例: 哈佛大学 一实验室并未预期到由于所使用的一近交小鼠系,发生了遗传漂变,导致他们多年来的研究走偏了。实验室的科研人员认为他们是在研究一种名为Siae基因的作用,可他们实际上研究的是Dock2基因拷贝数变异所产生的影响。这一变异就是由于C57BL/6NHsd鼠群(由Harlan Sprague Laboratories,也就是现在的Envigo Biosciences繁育) 发生遗传漂变产生的 —— 他们使用多年的鼠群实际上是C57BL/6N亚系。

当然,遗传漂变并不会给您的实验室带来灭顶之灾,但遗传漂变对实验结果可重复性的潜在影响却是深远而持久的。

基因组遗传漂变的发生有多快?

由于遗传漂变,小鼠基因组在经过20代连续的近亲交配后所发生的变化就被认为足以使鼠群形成亚系。 二十代近亲交配可以发生在大约五年的时间内,这对于实验结果可重复性来说已经是非常的迅速了。没有哪位科研人员愿意看到,在上一个基金资助期中得到的实验结果现在却因为漂变而无法被重复。

对于那些与同事共享小鼠的科研人员(案例2),请注意这些小鼠的来源是至关重要的。如果您通常是从JAX获得FVB小鼠,而您在另一实验室的朋友是从其它供应商那里获得FVB小鼠,那么这些FVB小鼠即属于不同的亚系,并且可以预期它们具有差异显著的基因组。即使您和您的朋友都是用来自JAX的小鼠开始培育FVB鼠群,但您的鼠群和他们的鼠群也一直保持着生殖隔离,这种分离繁育所累积的遗传差异是随着时间不断累加的,因此它们可能已经形成了不同的亚系,从而就会导致实验结果的差异(图2)。

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图2连续近亲交配20代后获得的小鼠亚系。 虽然这些实验室各自均未进行超过20代的近亲交配,但实验室A和实验室B在这20代繁育中保持了生殖隔离。这也可能导致不同的实验结果。

我们该如何防止发生漂变? 是否科研注定因此失败?

您无法防止漂变。 但是,也不尽然。

同时,科研结果并不是注定会因此受影响的,只要您对于漂变采取积极主动的措施。

完全防止漂变的唯一方法是停止繁育小鼠(如果您想继续使用小鼠作为模型动物,那么停止繁育小鼠是一定会对实验结果带来不利影响的)。 为了实现实验材料的长期管理 和确保实验材料的可靠,请考虑冷冻保存您的小鼠。这样即便漂变发生,您可以从冷冻的原始小鼠中恢复品系,从而得到相应的原始表型。另一种方式是通过同适当的近交系或杂交系进行回交来“更新”品系的遗传背景。对于案例3中的基因敲除小鼠鼠群,如果每5到10代就更新该品系的遗传背景,漂变发生的风险则会大大降低。当然,您需要记录系谱信息和已产生的近亲交配的代数。只有这样, 您才可以知道何时需要对遗传背景进行更新。为了确保性染色体也得到了更新,请尝试使用如图3所示的回交方法:

genetic_drift

图3确保性染色体适当地得到回交或更新,从而最大限度地控制漂变,

  1. 用“已发生漂变”鼠群中的纯合雌鼠(蓝色XX染 色体)与来自可靠供应商的近交系雄鼠(红色XY 染色体)进行交配,得到均为杂合子的幼鼠 (N1)。
  2. 在下一代繁育中,用一只N1杂合雄鼠(蓝色X,红色Y)与来自可靠供应商的近交系雌鼠(红色 XX)交配,得到N2回交系。
  3. 重复步骤2:用一只N2杂合雄鼠(现为红色XY)并与近交系雌鼠(红色XX)交配,以产生N3回交 系。
  4. 最后,让N3杂合子的雌鼠和雄鼠(所有性染色体 现在都已经过“更新”,均为红色)交配,使得有敲除位点的一对等位基因重新成为纯合(图中未显示纯合的未突变基因)。

需要注意的是,为了让这种回交更新操作有效,您使用的小鼠近交系必须来自可靠供应商,而且该供应商须要有鼠群有效管理方法以降低遗传漂变的影响 (例如我们的“Genetic Stability Program”)。

规范地更新和回交您的品系需要花费一定时间,但是,这 样一来您的鼠群基因组是确保稳定的。得益于此,您的实验结果可以持续重复,您的科研进展也将一马当先。

最后,很多已发表的文献都缺乏实验设计、实验过程和结果分析等方面的关键信息。 在发表研究成果时,您必须准确报道品系的命名,并详细阐述它的繁育过程。虽然您无法完全阻止遗传漂变的发生,但您可以通过标明亚系的名称、 阐述鼠群管理方法和列举相应标准化操作来提高您研究结果的可重复性。这些细节也同时将使整个科研界获益。

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