Blog Post January 24, 2021

一文看懂小鼠的基因型

我们在使用基因工程小鼠进行研究的时候,需要选择合适的基因型进行实验和繁育。当您终于从杰克森实验室(JAX)庞大的小鼠资源库中找到了合适的模型,准备引进小鼠时,是否曾困惑于JAX小鼠品系详情上的基因型描述?为什么有的品系会使用杂合子(heterozygote), 有的品系又使用半合子(hemizygote)? 非转基因携带者(noncarrier)和野生型(wildtype)小鼠是一样的吗?它们可以用相关的近交系小鼠代替吗?这篇文章就带您了解JAX小鼠品系详情中对于基因型的各种描述,等读完这篇文章,相信您也能够快速看懂小鼠的基因型了。

在介绍基因型之前,我们首先简单了解一下常用实验小鼠模型的类型。

除了近交系小鼠之外,我们经常会用到基因工程小鼠,广义的基因工程小鼠(Genetically Engineered Mouse Models,GEMMs)分为突变小鼠模型(包括自发或化学诱导的基因突变、靶向突变<targeted mutation, tm>和核酸内切酶介导的突变<endonuclease mediated mutation, em>)和转基因小鼠模型(transgenic, Tg)。

突变小鼠模型

自发或化学诱导突变是随机的遗传改变导致的基因功能变化。常用的自发突变模型有用于II型糖尿病及肥胖症等代谢疾病研究的ob小鼠模型B6.Cg-Lepob/J (stock# 000632),用于自身免疫疾病研究的MRL-lpr小鼠模型MRL/MpJ-Faslpr/J (stock# 000485),以及常用的免疫缺陷小鼠模型NOD.Cg-Prkdcscid/J (stock# 001303)等。自发或化学诱导突变系统命名中,等位基因通常由其突变引起的表型命名,比如以上例子中的肥胖(ob:obesity),淋巴细胞增生(lpr:lymphoproliferation),严重联合免疫缺陷(scid:severe combined immunodeficient disease)等。

靶向突变又可以分为靶向敲除(knockout)和靶向敲入(knockin),其特点是基于同源重组将体外构建的DNA片段定向插入替换内源染色体上的目标区域。在小鼠命名中,会在靶向基因的右上角标注“tm”,表示靶向突变(targeted mutation)。造成内源基因功能缺失的称为靶向敲除;可以表达外源插入DNA片段的则称为靶向敲入。比如用于心血管及神经相关疾病研究的APOE4 KI小鼠模型B6(SJL)-Apoetm1.1(APOE*4)Adiuj/J (stock# 027894)。该模型是将小鼠内源的Apoe基因包含外显子2、3和4的区域用人APOE4相关编码区域进行替换,使小鼠表达人源化的APOE编码基因。

核酸内切酶介导的突变是通过ZNF(Zinc Fingers)、 TALEN (Transcription Activator-Like Effector Nuclease)以及CRISPR/Cas9(Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats)等技术进行定向基因编辑导致的突变。这一类突变在小鼠命名中,会在靶基因的右上角标注“em”,表示核酸内切酶介导的突变(endonuclease mediated mutation),如小鼠白蛋白缺失模型C57BL/6J-Albem8Mvw/MvwJ(stock# 025200)和阿尔兹海默症模型B6.Cg-Apoeem2(APOE*)Adiuj/J (stock# 029018)。

转基因小鼠模型

转基因小鼠模型是利用原核显微注射法将外源转基因随机插入整合到小鼠基因组中,插入位点通常未经鉴定。我们在命名中使用Tg表示转基因(transgenic),Tg后的括号中为所转入的待表达基因。如用于帕金森病研究的小鼠品系B6;C3-Tg(Prnp-SNCA*A53T)83Vle/J (stock# 004479)是在小鼠中转入了一个携带A53T突变的α-突触核蛋白编码序列SNCA,该转基因由Prnp启动子驱动,因此转基因构造表示为Tg(Prnp-SNCA*A53T)。当随机插入的位点被鉴定后,可以在小鼠命名中对插入位点进行标注。如用于造血系统研究的Vav-iCre小鼠品系B6.Cg-Commd10Tg(Vav1-icre)A2Kio/J(stock# 008610),插入到基因组中的转基因为Vav1启动子驱动的icre (improved cre),表示为Tg(Vav1-icre)。后续测序结果显示其插入位点为Commd10基因区域,因此在命名中将这些信息综合表示为Commd10Tg(Vav1-icre)

杂合子(heterozygote)vs. 半合子(hemizygote)

了解了不同基因工程小鼠的命名规则之后,就可以从小鼠品系名称上区分小鼠是突变还是转基因了。我们言归正传,来看看杂合子(heterozygote, 简写为het)和半合子(hemizygote, 简写为hemi)在使用上的区别。

杂合子一般用于突变品系,这是因为不管是携带自发突变还是靶向突变的基因,如果只有一条染色体上的等位基因存在突变,另外一条染色体上的等位基因并未改变,两个等位基因之间是不同的,我们称之为杂合子,通过相应的繁育策略,可以获得两个等位基因都携带突变的状态,这个时候我们称之为纯合子(homozygote)。简而言之,杂合子这一表述最重要的是必须存在等位基因,且两个等位基因的基因型不同。

半合子一般用于转基因品系。对于被插入到基因组的外源转基因片段,在基因组中并不存在对应的所谓“野生型”的“等位基因”,因此我们把这种情况称为半合子。转基因半合子也可以通过相应的繁育策略,获得两条染色体相应位置均携带插入转基因构造的小鼠,这个时候我们也将其称为纯合子。

另外还有一种特殊的情况,也会在突变品系中使用到半合子的说法,即当突变位于性染色体上时,比如位于X染色体上的基因突变,在雄性体内只有一条X染色体,因此当雄性携带这一突变时,我们称之为半合子,它没有野生型的等位基因。雌性存在两条X染色体,如只有一条X染色体携带该突变,另一条X染色体上的基因为野生型,我们仍称其为杂合子。

下面我们举一个典型的例子来说明半合子(hemizygote)和杂合子(heterozygote)的用法。

JAX重度免疫缺陷小鼠品系NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG)1Eav/MloySzJ(stock# 013062 | NSG-SGM3)是一个同时携带了自发突变,靶向突变和转基因的小鼠模型。其中PrkdcscidPrkdc基因的一个自发突变(重度联合免疫缺陷,scid),该基因位于16号染色体,为常染色体;Il2rgtm1Wjl是一个靶向突变,靶向基因为Il2rg,为靶向敲除,位于X染色体,为性染色体;Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG)是转基因,在CMV启动子驱动下表达三个细胞因子KITLG, CSF2IL3,转基因插入位点未知。那么对于携带上述突变和转基因的小鼠,其基因型应该怎么表示呢?

由于NSG-SGM3小鼠品系中存在涉及X染色体的突变,我们需要分别从雌鼠和雄鼠来进行说明。

对于雌鼠:

自发突变Prkdcscid位于16号常染色体,在只有一条染色体携带突变的情况下表示为杂合子(heterozygote),描述为“heterozygous for Prkdcscid ”,如果两条染色体均携带则表示为纯合子(homozygote),描述为“homozygous for Prkdcscid”;

靶向突变Il2rgtm1Wjl位于X染色体,雌鼠中有两条X染色体,在只有一条染色体携带突变的情况下表示为杂合子(heterozygote),描述为“heterozygous for Il2rgtm1Wjl”,如果两条染色体均携带则表示为纯合子(homozygote),描述为“homozygous for Il2rgtm1Wjl” ;

转基因Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG)插入位点未知,在只有一条染色体携带转基因的情况下表示为半合子(hemizygote),描述为“hemizygous for Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG) 1Eav”,如果两条染色体均携带则表示为纯合子(homozygote),描述为“homozygous for Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG) 1Eav”。

对于雄鼠:

自发突变Prkdcscid位于16号常染色体,在只有一条染色体携带突变的情况下表示为杂合子(heterozygote),描述为“heterozygous for Prkdcscid ”,如果两条染色体均携带则表示为(homozygous);

靶向突变Il2rgtm1Wjl位于X染色体,雄鼠中只有一条X染色体,在有一条染色体携带突变的情况下表示为半合子(hemizygote),描述为“hemizygous for Il2rgtm1Wjl”;

转基因Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG)插入位点未知,在只有一条染色体携带转基因的情况下表示为半合子(hemizygote),描述为“hemizygous for Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG) 1Eav”,如果两条染色体均携带则表示为纯合子(homozygous)。

根据以上表示方法,在突变或转基因位点仅一条染色体携带突变或转基因的情况如下:

雌鼠:heterozygous for Prkdcscid,heterozygous for Il2rgtm1Wjl,hemizygous for Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG) 1Eav(Het, Het, Hemi);

雄鼠:heterozygous for Prkdcscid,hemizygous for Il2rgtm1Wjl,hemizygous for Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG) 1Eav  (Het, Hemi, Hemi)。

在纯合情况下(雄性性染色体相关突变为半合子)的表示方法为:

雌鼠:homozygous for Prkdcscid,homozygous for Il2rgtm1Wjl,homozygous for Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG) 1Eav (Hom, Hom, Hom);

雄鼠:homozygous for Prkdcscid,hemizygous for Il2rgtm1Wjl,homozygous for Tg(CMV-IL3,CSF2,KITLG) 1Eav (Hom, Hemi, Hom)。

非转基因携带者(noncarrier) vs. 野生型(wildtype)

介绍完杂合子与半合子的区别,我们再来看noncarrier和wildtype。

同样的,要区分noncarrier和wildtype的区别,我们仍然需要从它们的使用对象上入手。Noncarrier用于转基因品系,表示不携带转基因的小鼠,可以理解为野生型。比如转基因品系B6;C3-Tg(Prnp-SNCA*A53T)83Vle/J (stock# 004479),在繁育过程中若使用转基因半合子雌鼠和转基因半合子雄鼠进行繁育,得到的不含转基因的小鼠子代就称为noncarrier。Wildtype用于突变品系,表示不携带突变的小鼠,同样也可以理解为野生型。如自发突变品系B6.Cg-Lepob/J (stock# 000632),在繁育过程中若使用突变杂合子雌鼠与突变杂合子雄鼠进行繁育,得到不含突变的小鼠子代就称为wildtype。

Noncarrier和wildtype既然都属于不携带转基因或者突变的小鼠,我们是不是就可以直接使用近交系小鼠来代替呢?答案是需要视小鼠品系的遗传背景而定。

对于建立在近交系遗传背景上的小鼠模型,在进行繁育和实验对照组选择时,除了使用野生型,还可以使用相同的近交系小鼠。如突变品系MRL/MpJ-Faslpr/J (stock# 000485)的遗传背景为MRL/MpJ (stock# 000486),因此也可以选择MRL/MpJ (stock# 000486)近交系小鼠作为野生型对照使用。

对于混合遗传背景,同窝野生型可能是作为实验对照组的最好选择。但是在繁育过程中,还需要考虑遗传组成的改变。如转基因模型B6SJL-Tg(SOD1*G93A)1Gur/J(stock# 002726)为C57BL/6J (stock# 000664)和SJL/J (stock# 000686)两个近交系的混合遗传背景,因此其野生型对照为同窝野生型(noncarrier),但繁育过程中为了最大化保持其混合遗传背景,每一代都需要使用C57BL/6J雌鼠与SJL/J雄鼠产生的F1代(B6SJLF1)雌鼠与B6SJL-Tg(SOD1*G93A)1Gur/J转基因半合子(hemizygote)雄鼠进行繁育。原因在于F1杂交系(F1 hybrid)中,遗传组成相对稳定,50%来自父本,50%来自母本。

除了上文中提到的B6SJL-Tg(SOD1*G93A)1Gur/J(stock# 002726)品系是维持在最大化混合C57BL/6J和SJL/J的遗传背景上,另外还有一些小鼠模型虽然是混合遗传背景,但是在繁育过程中,已逐渐将不同遗传背景的组成相对固定下来了,因此其繁育过程中通常会使用同窝野生型。如用于阿尔兹海默症研究的小鼠模型B6;C3-Tg(APPswe,PSEN1dE9)85Dbo/Mmjax (stock# 004462),为C57BL/6 和 C3H的混合遗传背景,后续繁育均使用同窝野生型(noncarrier)与转基因半合子(hemizygote)进行繁育,最佳对照也是该转基因品系的同窝野生型(noncarrier)。

更多不同遗传背景下对照组小鼠的选择,请参考实验小鼠对照选择建议

小结

下表是针对上文中提到的不同类型小鼠模型关于基因型的一个总结:

转基因模型

(常染色体)

突变模型

(常染色体)

转基因模型

(X染色体)

突变模型

(X染色体)

雌性

雄性

雌性

雄性

仅一条染色体携带

半合子

hemizygote

杂合子

heterozygote

半合子

hemizygote

半合子

hemizygote

杂合子

heterozygote

半合子

hemizygote

两条染色体均携带

纯合子

homozygote

纯合子

homozygote

纯合子

homozygote

\

纯合子

homozygote

\

不携带

非转基因携带者

noncarrier

野生型

wildtype

非转基因携带者

noncarrier

非转基因携带者

noncarrier

野生型

wildtype

野生型

wildtype

好了,看完了这篇文章,您是不是也可以迅速看懂小鼠的基因型了?如果还有问题,那就发邮件到micetech@jax.org吧,我们的技术服务部门会为您提供帮助(Tips: 请在来信中注明姓名和单位)。