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免疫缺陷动物模型--裸鼠

2020年02月25日 浏览量: 评论(0) 来源:实验动物那些事儿公众号 作者: 责任编辑:admin
摘要:在近交系小鼠培育基本完成后,详见本号《实验小鼠演化史(上)》和《实验小鼠演化史(下)》,各种突变小鼠模型也如雨后春笋一般被发现和鉴定出来。这其中无胸腺裸鼠、重度免疫缺陷小鼠(scid小鼠)及非肥胖糖尿病小鼠(NOD小鼠)的发现和培育成功既体现了小鼠模型的优势,也反映了科学突破的点滴积累过程。
无胸腺裸鼠(Nude Mouse,简称"裸鼠")早已成为医学生物学研究领域不可或缺的实验动物模型,特别是在肿瘤、免疫、药品与生物制品的安全性评价及有效药品的临床前筛选等方面发挥着重要的作用。
 
裸鼠起源于上个世纪60年代初,是英国格拉斯哥鲁契尔医院病毒实验室的格里斯特(Grist)博士最先在其饲养的白化种群小鼠(非近交系)中发现的。1962年的小鼠通讯上刊载了这个突变小鼠的信息。显然格里斯特博士对这个全身赤裸的小鼠并没有多大兴趣,也没有对其进行深入分析。
▲裸鼠,图片来自Jackson实验室
四年后,爱丁堡动物遗传研究所的佛拉纳根(Flanagan)从格里斯特处得到3只裸鼠,并对其进行了遗传和生物学特性分析。3只裸鼠中一只无毛个体(雄性)在死亡前没有得到后代,另外两只被毛正常(雌雄各一)小鼠交配后得到两窝23个子代。佛拉纳根利用这些子代进行互交后,其中一对的后代中出现了无毛个体,根据后代性状分离数据确定这对父母代为杂合子。佛拉纳根利用这对杂合子和它们的后代建立了裸鼠群,并将该突变基因命名为“Nude”,简写为nu。
 
佛拉纳根发现雌性裸鼠的生育能力极其低下,在46个雌性裸鼠与正常被毛雄鼠配对后,仅有4对产子,且雌性裸鼠因乳腺发育不良无奶水而不能将子代养大。佛拉纳根还对裸鼠的生长、毛发发生和nu基因与已知突变基因连锁情况进行了研究,并在1966年将上述结果整理发表。但遗憾的是,他并没有发现裸鼠的最重要特性---无胸腺。
 
在裸鼠出现之前,为开展细胞免疫学的研究,通常要使用药物来抑制小鼠T细胞的产生,或通过外科手术摘除胸腺。早在1944年,科学家就发现早期切除AKR(高发白血病)小鼠胸腺可以降低小鼠的白血病风险;切除C58小鼠胸腺可阻止化学或辐射诱导的白血病发生。胸腺切除后不仅导致循环系统内淋巴细胞数目减少,还导致抗体产生减少。这些发现证明胸腺在免疫应答中发挥重要作用,胸腺切除术也成为当时制备免疫缺陷动物模型的常规方法。但胸腺切除术存在致命的弱点,表现为:幼年动物胸腺切除后会因感染消耗而在1-3周内死亡,或因胸腺切除不彻底导致实验失败。同时模型制作过程中也不可避免地会给实验动物带来疼痛和痛苦。
 
1968年,苏格兰斯特拉斯克莱德大学生物学系的佩蒂路易斯(Pantelouris)从爱丁堡动物遗传研究所得到了裸鼠,并在解剖过程中意外地发现裸鼠胸腺发育不全。佩蒂路易斯进一步分析发现裸鼠的白细胞数量明显低于正常小鼠,仅为同窝野生型小鼠的1/4。裸鼠无胸腺,因此有望替代胸腺切除小鼠,成为一种天然免疫缺陷动物模型。这是一个远比裸露表型重要的发现,因此佩蒂路易斯的工作报道后即刻引起了科学界的注意。但在裸鼠成为广泛可用的动物模型之前,还需提高其繁殖和生存能力。
 
佛拉纳根在分析裸鼠生物学特性时已经发现纯合裸鼠的生长速度比野生或杂合同窝子慢30%。他还发现裸鼠卵巢小,缺少黄体,精子活力差,尾部卷曲,这些特性都预示着裸鼠的生殖能力存在问题。同时,裸鼠的生存能力也是个大问题。在上个世纪60年代,还不具有无特定病原菌(SPF)级别的动物饲养设施,无法控制动物种群中的各种病原微生物污染。裸鼠的免疫缺陷特性又令其无法抵抗这些病原微生物。因此,在裸鼠发现之初时,有超过一半的个体在出生后第二周死亡,仅有10%的动物可以活到12周。上述问题不解决,裸鼠就无法成为真正可用动物模型。
 
利用裸鼠与其它小鼠杂交,有望筛选和建立携带nu基因的高生育力品系。这个工作最先由是丹麦根本哈哥病理解剖研究所的病理学家雷加德和波维森开展的。有趣的是他们开展该实验目的是为了检验当时刚刚提出的“肿瘤免疫监控理论”。为此,他们将从爱丁堡动物遗传研究所得到的裸鼠分别和纯系BALB/c,C3H,C57BL/6小鼠交配,不断选育,获得了三种近交系裸鼠新种。这个工作是在1969-1972年间完成的,虽然将nu基因导入到不同遗传背景近交系小鼠后,改善了裸鼠的生物学性状,但仍未克服繁殖力低下和存活时间过短的问题。直到1974年,NIH的汉森团队将BALB/c背景品系下的nu基因导入到了Swiss NIH远交系,建立了远交系裸鼠后,其繁殖能力和抗病能力都得到了明显加强,可以直接用nu/nu纯合雌雄鼠进行交配繁育后代。而在引入了SPF饲养体系后,极大减少了裸鼠感染病原微生物的机会,裸鼠寿命也得以延长到接近于常规近交系小鼠的水平。
▲ 出生25天的NMRI nu/nu小鼠(右)与杂合同窝子(左)。nu/nu小鼠的体型较小,没有被毛,但有卷曲稀疏的胡须(箭头和插图所示)。
 
到1996年,决定裸鼠表型的突变基因也被找到了,它是由Foxn1基因点突变导致编码蛋白提前终止而形成截短的无功能蛋白所致,被称为Foxn1nu。显然Foxn1基因具有多效性,同时影响小鼠的毛发和胸腺发育。裸体是因携带纯合Foxn1nu个体毛囊中的毛杆不能从表皮中长出所致。裸体是一个易于观察和发现的表型,但却很少有人会将其与免疫缺陷关联起来。佛拉纳根虽然对裸鼠的生物学特性进行了系统的分析,但却与裸鼠的胸腺发育不良这一重要特性失之交臂。佩蒂路易斯是细心和幸运的,终于在裸鼠突变出现7年后发现了这一重要生物学特性。在当时的保种和繁育条件下,以及裸鼠的低生育力和低生存能力背景下,能够保留该突变实属幸运。如果不是因为发现其无胸腺,裸鼠可能很快就会从科学家的视野中消失。裸露表型是显而易见的,但胸腺发育不良的发现却需要观察者的细心和一点点运气,而这也正是科学探索的魅力所在。
 
参考文献

1. Isaacson JH, et al., Two new 'hairless' mutants - Sha and Hfh11. Mouse News Lett. 1962;27:31

2. Flanagan, S. P. ‘Nude’, a new hairless gene with pleiotropic effects in the mouse. Genet. Res. 8, 295–309 (1966).

3.  Pantelouris, E. M. Absence of Thymus in a Mouse Mutant. Nature volume 217, pages 370–371 (1968)

4. Pantelouris E. M. Athymic development in the mouse. Differentiation. 1973 Dec; 1(6): 437-50.

5. Jorgen Rygaard and C. O. Povlsen. The mouse mutant nude does not develop spontaneous tumor. Acta path. microbiol. scand. Section B. 82, 99-106, 1974

6. Segre JA; Nemhauser JL; Taylor BA; Nadeau JH; Lander ES. 1995. Positional cloning of the nude locus: genetic, physical, and transcription maps of the region and mutations in the mouse and rat. Genomics 28(3):549-59

7. Mecklenburg L, Tychsen B, Paus R. Learning from nudity: lessons from the nude phenotype. Experimental Dermatology 2005: 14: 797–810

 

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