生物谷报道:自20世纪初小鼠的遗传学研究从宠物农场进入哈佛大学的实验室只有短短一百年的历史,但是由于小鼠基因组与人类基因组高度同源、小鼠基因组改造手段非常成熟以及小鼠近交系、突变系和工具小鼠品系种类繁多,小鼠遗传学已成为发育生物学、功能基因组学和疾病机理研究的核心研究领域。
在本期的Nature Genetics上,分别来自霍华德休斯医学院犹他州大学,冷泉港实验室的研究人员报道了小鼠遗传学操作的最新工具。
原始出处:
Nature Genetics 39, 914 - 921 (2007)
Published online: 17 June 2007 | doi:10.1038/ng2045
Tissue-specific and reversible RNA interference in transgenic mice
Nature Genetics 39, 922 - 930 (2007)
Published online: 17 June 2007 | doi:10.1038/ng2060
Toward simpler and faster genome-wide mutagenesis in mice
人是哺乳动物,而细菌、植物、酵母、线虫不是;小鼠也是哺乳动物,不像大猩猩、山羊、狐狸、雪貂、长颈鹿和豺,它能很好地适应实验室条件和遗传学需要。而且小鼠基因组与人类基因组高度同源、小鼠基因组改造手段非常成熟以及小鼠近交系、突变系和工具小鼠品系种类繁多,因此小鼠已成为发育生物学、功能基因组学和疾病机理研究的核心研究领域,小鼠也成为最重要的模式生物之一。
近年来,随着小鼠基因组序列测序的完成,不同小鼠近交系品系特异的微卫星标记或单核苷酸多态性不断被发现,小鼠生理生化表型分析手段和数据也越来越完善,这些前期工作导致了目前大规模的基因剔除计划、基因突变计划及构建和分析重组近交系计划的实施。这些计划可能构成未来10-20 年中生命科学和医学研究领域的最重要的内容之一。
小鼠遗传学研究开始于1902年,哈佛大学的Castle在当时孟德尔遗传学研究的影响下开始了小鼠遗传学研究,1909年Castle实验室的Little得到了第一个近交系小鼠——DBA 品系后,随后在Cold Spring HarborLaboratory 和The Jackson Laboratory 工作中陆续得到了C57BL/6、C3H、CBA 和BALB/c 等多种近交系小鼠,这些近交系构成了目前世界上使用最广泛的几种品系。在这一百年里人们已经建立了近400多个近交系,6 000 多个突变品系。
小鼠已成为了最适于基因组改造的模式动物。1982 年,Palmiter 和Brinster 首先制造了携带外源基因的新的小鼠品系——“转基因小鼠”。第一个转基因小鼠品系携带了可表达的大鼠生长激素的基因片断,过度的生长激素导致转基因小鼠的体型增大,第一次在整体动物水平证明了生长激素的功能。在Evans、Smithies 和Capecchi 等实验室的共同努力下,通过ES 细胞内DNA 同源重组的方法,科学家于1987 年得到了第一只基因剔除小鼠。基因剔除提供了研究在整体动物水平研究基因功能的“金标准”:即分析特定基因缺失后的功能障碍来推断基因的功能。1998 年,在Dolly 羊出生一年后,克隆小鼠也在夏威夷的实验室中诞生。由于在1990年启动人类基因组计划时小鼠就被列为五种核心模式生物之一,所以小鼠基因组计划是最早启动的非人基因组计划。到了2002 年,小鼠C57BL/6j 近交系基因组的研究相继取得了成果:5 月小鼠的16 号染色体基因图谱被首先被绘制出来,并发现其与人类的21 号染色体是高度同源的;8 月小鼠的全基因组图谱完成;12 月小鼠基因组测序基本完成。至此小鼠的研究进入了一个新阶段。
和小鼠的分子生物学研究同步的是小鼠的生理生化数据的积累。各种专门用于小鼠的代谢、心血管、呼吸、骨骼、血液、行为等生理功能
检测仪器设备和方法在过去几十年中得到的迅速发展,比较医学的研究使得我们可以将小鼠的特定生理生化功能和人类进行比较分析。由于不同的小鼠近交系在许多上述指标上有明显的差异,因此,通过这些近交系基因组的多态性的连锁分析,可以建立特定功能表型在基因组上的定位,发现和确定表型与基因型之间的关系。从最早的简单分析不同近交系的分子多态性,进而采用微卫星标记,最新发展到单核苷酸多态性,在基因组中将一个特定功能或表型定位到1kb 将不再是梦想。
近年来,在基因组计划完成的基础上,通过化学诱变、DNA“基因陷阱”或转座子转座作用建立新的突变小鼠品系成为一种时尚,这种以新突变品系的病理表型为出发点,然后通过突变的染色体定位最终克隆突变基因的方法已经大大推动了疾病模型的研究,并在短期内提供了大量的新的小鼠品系。经典的小鼠遗传学家也找到了新的思路,他们正在建立上百种通过现有近交系杂交而形成的新的重组近交系。通过对这些新的近交系与母本近交系在生理生化表型和基因型的连锁比较,我们有望对一些复杂性状(如代谢过程)的调控作深入的遗传学分析,从而发现复杂疾病(包括糖尿病/ 肥胖症、高血压、免疫失调、及神经性疾病等)的发病机理机制。
从2005 年起,大规模开展基因剔除的研究计划分别在美国、欧盟和加拿大实施,第一期总投资达1 亿多美元。该计划的最终目标是要将小鼠的3万多个基因逐一进行基因剔除,建立基因剔除小鼠品系,从而分析基因的功能。可以预见,小鼠的突变品系,将在不远的将来达到4 到5 万个品系。