Разведение лабораторных мышей

Достаточно ознакомиться с последними достижениями науки по исследованию злокачественных опухолей, противоопухолевого иммунитета, несовместимости органов и тканей при гомотрансплантации и т. д., чтобы оценить достижения биологической науки за последние 40-50 лет.

Все эти достижения были достигнуты благодаря разведению мышей в лабораторных условиях.

Мышь – одно из самых вредоносных для человека млекопитающих, которое наносит ущерб в продовольственных и эпидемиологических сферах. Распространена практически по всему земному шару и приспособлена жить как в открытых, так и в закрытых помещениях. Внешний облик – 10см в длину, хвост – 7см. Окраска серая (агути), имеется светлая, рыжая и другие цвета. В год мышь приносит 4-5 помётов, от 6-8 до 10 детёнышей.

Мышь прекрасно живёт и размножается в неволе, благодаря этому и ряду других причин, этот вид стал лабораторным животным.

Француз Л. Кюэно, был первым биологом, который приступил к проведению опытов по генетике мышей. Начиная с 1902 года, он скрещивал лабораторных белых мышей с их дикими и серыми сородичами, надеясь демонстрировать универсальность законов Менделя.

С тех пор мыши завоевали благосклонность работников науки, как идеальная модель для исследований по генетики животных и человека. Для экспериментальных и генетических нужд их стали разводить миллионами.

У мышей легко получить чистые линии, в которых все особи генетически идентичны. Для этого достаточно провести систематическое спаривание близкородственных особей. Например, 25 поколений «братско-сестринского» спаривания даёт генетически идентичных особей, которые в лаборатории просто незаменимы.

У мышей двойной набор хромосом 2n=40, из них 38 аутосом, 2 гоносомы (половые хромосомы). Все гомологичные хромосомы подобно нитям чёток, несут вдоль всей своей длины бусины генов, определяющих (кодирующих) отдельные функции. Каждый ген представлен в нескольких вариантах (аллелях), занимающих в конкретных гомологичных хромосомах определённое место (локус). Другими словами в соответствующем локусе можно встретить самые разные аллели данного гена, но каждая особь несёт в себе лишь два из них. В этом смысле прост и нагляден пример с группами крови у человека. В локусе девятой хромосомы встречаются 3 аллеля: А, В, О. Каждый человек может иметь не более двух из них. Если оба аллеля одного типа (АА или ВВ), то индивидуум гомозиготен по данному гену, в случае разных вариантов (ВО или АВ) - гетерозиготен.

Нужно знать, что в природе все популяции полиморфны – в том смысле, что в каждом локусе находится несколько аллелей. В чистой линии, напротив, никакого полиморфизма нет, он просто исчезает. В каждом локусе оказывается один и тот же аллель, а все особи гомозиготны. Следовательно, каждая чистая линия представляет собой как бы уникальный итог огромной лотереи аллелей для каждого из генов.

В лабораториях можно вывести несколько различных линий. Для этого, как мы уже говорили, спаривают братьев и сестёр на протяжении 25-30 поколений, то есть разыгрывают «лотерею» наследственности. У каждой из полученных инбредных линий есть своя «визитная карточка»: конкретная продолжительность жизни, та или иная устойчивость к облучению, определённая плодовитость, сопротивляемость бактериальным и вирусным инфекциям и т. д. По ним даже можно делать выводы, о том, насколько генетически детерминированы их нрав и поведение. Разберём некоторые из них.

Мышь с онкогенным (раковым) вирусом. Изучая чистые линии мышей У. Хестон, впервые определил основу генетики рака, т. е. то, что существует генетическое предрасположение к развитию рака. Это предрасположение соответствует понятию сопротивляемость организма - вовсе не играет абсолютной роли. Не у всех особей такой линии непременно должен развиться рак. Рак лёгких у особей линий «А» в возрасте 10 месяцев встречается у 90% особей, тогда как в линии «В» - у 20%, а из линии «С» - менее чем у 1%. Исходя из этого, можно утверждать, что предрасположение не определяется одним или несколькими генами, действующими по принципу «всё или ничего». Столь же необходимыми могут оказаться и другие факторы – негенетические.

Существует чёткая связь между типом опухоли, степенью её злокачественности и поражённой тканью, с одной стороны, и линией, к которой относится мышь, с другой, то есть, развитие раковой опухоли зависит от предрасположенности. Один и тот же фактор, будь это химический агент или вирус, у мышей одной линии даёт высокую частоту опухолей, в другой линии – низкую.

В 70-е годы прошлого столетия, было сделано замечательное открытие, что канцерогенные вирусы способны включаться одной или несколькими копиями своего генома в хромосомы хозяина, становясь её равноправной составной частью. Причём, если речь идёт о ДНК-вирусах, то включаются сами молекулы ДНК, а если об РНК-вирусах, то их обратные транскрипты. Таких вирусных онкогенов (V-опс) в линии АКР, например, насчитываемся два – akv -1 и akv 2. Их обнаружение в чистых линиях мышей с вирусом лейкоза привело к выявлению новых онкогенов на других вирусах и других организмах, включая человека.

Трансплантация тканей. Инбредные мыши были с успехом использованы в исследовании по трансплантации тканей. Хорошо известно, что органы или ткани, пересаженные в неродственные организмы, неизменно отторгаются. Этот закон биологии, не позволял заменять части организма, как, например, запчасти у автомобиля, даже используя иммунодепрессанты. Такая пересадка происходила успешно, если донор и реципиент – однояйцовые близнецы.

У мышей отторжение тканей закономерно, если они принадлежат разным линиям. Это наблюдение было определено с первых шагов работы с мышами, когда занялись пересадкой опухолевых тканей в процессе онкологических исследований. Поэтому, когда К. Литтл (США) перенёс методику трансплантации на нормальные ткани он пришёл к заключению, что отторжение трансплантанта зависит от процесса иммунологической природы, которая детерминирована генетически. Вскоре было сформулировано 5 положений, определяющих эту детерминированность:

1) трансплантации между мышами одной инбредной линии (изотрансплантации) удаются в обоих направлениях;

2) трансплантации между представителями разных линий (аллотрансплантация) неизменно заканчиваются отторжением;

3) гибриды, полученные от скрещивания двух линий мышей, принимают любые трансплантаты от обоих родителей, побочных родственников или их потомков;

4) ни одна особь не воспринимает тканей, пересаженные от гибридов первого поколения;

5) гены, определяющие отторжение тканей крайне многочисленны – с несколькими аллелями у каждого.

В 1948 году Дж. Снелл предпринял попытку детального анализ генетических аспектов отторжения трансплантатов. Для этого, воспользовавшись возвратным скрещиванием, он получил серию линий, идентичных исходной по всем генам, за исключением одного – гена гистосовместимости. Дж. Снелл получил сотню таких линий и выделил большую часть основных генов гистосовместимости. Для каждого из них он определил несколько аллелей в виде конгенных линий (как бы перевёл ключевое слово на несколько языков). Своими работами он заложил основу новой науки – иммуногенетики.

Инбредные линии мышей – это настоящее сокровище для изучения поведения животных. Существуют линии, в которых мыши легко учатся находить кратчайший путь или выход из лабиринта. Есть линии мышей, быстро и надолго запоминающие, и линии, в которых особи запоминают не так быстро, и есть, наконец, линии, в которых мыши демонстрируют поразительную тупость. Всё это помогает лучше понимать биологию поведения и позволяет в определённой мере даже делать выводы, распространяющиеся на человека.

Мутации в чистых линиях. Все инбредные линии мышей содержатся в вивариях, отвечающих самым строгим требованиям под присмотром компетентного и увлечённого своим делом персонала. Достаточно один раз произвести неудачное скрещивание, и вся линия – плод многолетнего труда – окажется утерянной. Постоянно проверяется качество отдельных особей: например, путём пересадки кожи (на гистосовместимость). И, тем не менее, в линиях иногда возникают существенные изменения, передающиеся по наследству. Речь идёт о мутациях.

В лабораторных условиях при разведении мышей начали получаться новые мутации мышей. К 1935 году их было получено 11, через 10 лет – 29, однако, когда начали исследовать мутагенные свойства радиоактивного излучения, У. Рассел получил при изменении дозировки 70 мутантов в 1955 году, 300 – в 1975 году. В начале 79-х годов прошлого века пришло время исследования структурных изменений на уровне белков, то есть продуктов генов. И тогда обнаружили множество мутаций и у лабораторных мышей, и у диких.

Мутации чрезвычайно разнообразны. Многие из них связаны с естественным полиморфизмом и определяются вариациями в первичной структуре белков, сказываясь заметно на их функциях (речь идёт об аллопротеинах и антигенах). Аллопротеины ещё называют аллоферментами или, если это иммунноглобулины, аллотипами. Что касается антигенов, то они присутствуют на поверхности клеток, как бы определяя для организма собственное «Я».

Есть и другие мутации, которые оказывают патологический эффект (т. е. вредны), а порой просто несовместимы с жизнью. В природе они элиминируются, а созданные в лабораториях, поддерживаются со всей скрупулёзностью. Возникают крайне редко, порядка 10-5 на одну половую клетку, но эта частота значительно возрастает в присутствии химических и физических мутагенных факторов (рентгеновское, γ-5нейтронное излучение, контакт с химическими веществами и т. д.). Во многих случаях эти мутации выявлялись совершенно случайно.

Пример, мутация во второй хромосоме мыши Lethal-milk (Lm). У самки, несущей в себе этот ген в двух копиях (гомозигота Lm/ Lm), в молоке не хватает цинка, из-за чего все родившиеся мышата погибают, отсюда и название мутации Lethal – летальное, milk – молоко. Внешне всё выглядит так, что родившееся у мутантных самок приплод тщедушен и, в конце концов, погибает. Однако у Эрвея с сотрудниками возникла идея подсадить приплод к нормальной самке, что и позволило зафиксировать мутацию. В настоящее время мутация Lethal-milk, стала излюбленной моделью для изучения дефицита цинка.

Второй пример – мутация Testicular feminization (Tfm), которую несёт половая хромосома Х. Эта мутация передаёт самцам с нормальным генотипом (кариотип XY) облик самок. Половая железа мужская, а особь стерильна, т. е. у такой «фальшивой» самки нет потомства. Здесь генотип (генетическая структура) и фенотип (внешний облик) особей не соответствуют друг другу.

В лабораториях, работающих с лабораторными животными особенно как с генетическим материалом, проводится систематический поиск мутантов. Чаще всего вновь открытая мутация оказывается новым аллелем по уже известному локусу. А порой приходится наблюдать, как мутирующие особи гибнут ещё на стадии эмбриона.

Доминантность и рецессивность мутаций. В генетике принято выделять мутации рецессивные и доминантные. Первые не проявляются, если особь не получила от своих родителей мутантный ген в двух экземплярах (гомозиготность). Доминантные мутации, проявляются независимо от того, какая аллель в гомологичной хромосоме (гетерозиготность). Известная рецессивная мутация «nude», совершенно лишает мышей шерсти. Таким же рецессивным характером отличается и альбинизм. Однако мутация Rex в одинарной хромосоме, определяющая завивку шерсти, напротив, доминантна. Она проявляется, каким бы ни был аллель в гомологичной хромосоме. Между тем и мышей и у всех млекопитающих доминантные мутации крайне редки. В огромном большинстве случае мутации, проявляющиеся в гомозиготном состоянии, приводят к внутриутробной гибели плода.

Мутации могут затронуть и Х-хромосомы. У самцов с их непарной (ХУ) (гемизиготность), мутация проявится в любом случае. У самок, как было показано, одна из двух хромосом (Х-хромосом) – либо отцовская, либо материнская – не функционирует. Итак, в каждой клетке взрослого организма. Инактивация хромосомы происходит на ранней эмбриональной стадии случайно и необратимо. Таким образом, по отношению к генам Х-хромосомы, каждая женская особь – гомозиготная на клеточном уровне и мозаична на уровне всего организма.

Мутации млекопитающих обладают ещё и другими свойствами: они нередко носят плейотропный характер и интерфирируют с другими мутациями. Термин «плейотропия» используется для ситуации, когда одиночная мутация проявляется несколькими чётко различимыми признаками.

Плейотропность мутаций – это следствие высокой степени дифференцировки (или специализации) клеток взрослого организма. Она связана с тем, что начальное генетическое изменение, например, утрата к способности синтеза нужного фермента, сказывается на всех тканях, в которых этот фермент должен присутствовать и функционировать.

Некоторые из мутаций проявляются у высших организмов всегда с максимальной интенсивностью. Пример тому – альбинизм, при котором все гомозиготные особи лишены пигмента, независимо от набора остальных генов и от условий содержания. Но, помимо таких мутаций существуют и другие, проявляющиеся не всегда и не в равной мере.

Итак, требуется подвести итоги, что нужно выяснить из вышеизложенного? Лабораторные животные:

во-первых, позволяют нам моделировать различные генетические аномалии, нарушение обмена веществ, при неправильном кормлении и содержании, болезни, вызываемые на основе обмена веществ;

во-вторых, путём создания чистых линий мы можем изучать гомозиготность организмов, иммунный ответ на введение тех или иных лекарственных веществ, изучать вопросы трансплантации органов и тканей;

в-третьих, создание животных гнотобиотов, позволяет изучать вопросы заживления ран при пересадке органов и тканей, понять вопросы защитных реакций организма и многое другое;

в-четвёртых, создание и изучение мутаций с помощью химических веществ, радиоактивного облучения, позволяет выяснить причины образования злокачественных опухолей, воссоздать их на лабораторных животных и искать пути лечения.

Вот неполный перечень вопросов биологии, которые можно решать путём воссоздания и имитации на лабораторных животных.