Лабораторная мышь

Мышей использовали в биомедицинских исследованиях с XVII века (с 30 мая 1678 года), когда Уильям Гарвей использовал их для своих исследований репродукции и кровообращения, а Роберт Гук — для исследования биологических последствий в результате повышения давления атмосферы^[2]. В XVIII веке Джозеф Пристли и Антуан Лавуазье использовали мышей для изучения дыхания. В XIX веке Грегор Мендель провел свои первые исследования наследования цвета шерсти мышей, и только после недовольства начальника разведением «вонючих существа», переключился на горох. В 1902 году Люсьен Куэно опубликовал результаты своих экспериментов на мышах, которые показали, что законы наследственности Менделя справедливы и для животных, которые вскоре были подтверждены и распространены на другие виды^[2].

В начале XX века студент Гарварда Кларенс Кук Литтл и Уильям Эрнест Касл во время проведения исследования генетики мышей тесно сотрудничали с Эбби Латроп. Она занималась разведением причудливых мышей и крыс, которых продавала любителям грызунов, владельцам экзотических домашних животных, а также ученым^[3]. Вместе они создали и инициировали систематическое создание инбредных линий мышей DBA (смешанные, коричневые и неагути)^[4]. С тех пор мышь широко использовалась в качестве модельного организма и связана со многими важными биологическими открытиями XX и XXI веков^[5].

Лаборатория Джексона в Бар-Харборе, штат Мэн в настоящее время является одним из крупнейших в мире поставщиков лабораторных мышей: около 3 миллионов мышей в год^[6]. Лаборатория также является мировым источником более 8000 штаммов генетически определенных мышей и базой данных Mouse Genome Informatics^[7].

Начало размножения происходит примерно в 50-дневном возрасте как у самок, так и у самцов, хотя у самок первая течка может возникнуть в возрасте 25–40 дней. Мыши полиэстральные и размножаются круглый год. Продолжительность эстрального цикла наступает вечером и продолжается 4–5 дней и длится около 12 часов.

Средний срок беременности составляет 20 дней. Фертильная послеродовая течка наступает через 14–24 часа после родов, а одновременная лактация и беременность продлевают беременность на 3–10 дней из-за задержки имплантации. Средний размер помета составляет 10–12 щенков (зависит от штамма). Как правило, инбредные мыши имеют тенденцию к более длительному периоду беременности и меньшему количеству в помете, чем беспородные и гибридные мыши. Мыши рождаются голыми, слепыми и глухими. Через три недели они переходят с материнского молока на обычную пищу. У новорожденных самцов в отличии от новорожденных самок большее аногенитальное расстояние и больший генитальный сосочек.

Не смотря на то, что лабораторные мыши относятся к тому же виду, что и домовая мышь у них имеются существенные отличия в поведении и физологии. Существуют сотни известных инбредных, аутбредных и трансгенных штаммов. Штамм представляет собой группу, в которой все члены максимально генетически идентичны. У лабораторных мышей это достигается путем инбридинга . Имея такой тип популяции, можно проводить эксперименты по изучению роли генов или исключению фактора генетической изменчивости. Напротив, аутбредные популяции используются, когда идентичные генотипы не нужны или требуется популяция с генетическими вариациями, и их обычно называют запасами, а не штаммами . ^{[8] [9]} Было разработано более 400 стандартизированных инбредных штаммов.

Большинство лабораторных мышей представляют собой гибриды разных подвидов, чаще всего Mus musculus Domesticus и Mus musculus musculus. Лабораторные мыши могут иметь различные цвета шерсти, включая агути (зонированный окрас волоса), черный и альбиносов. Многие (но не все) лабораторные штаммы являются инбредными. Различные штаммы идентифицируются определенными комбинациями букв и цифр; например C57BL/6 и BALB/c . Первые инбредные штаммы были созданы в 1909 году Кларенсом Куком Литтлом, который оказал влияние на продвижение мыши как лабораторного организма ^[10]. По оценкам, в 2011 году 83% лабораторных грызунов, поставляемых в США, были лабораторными мышами C57BL/6^[11].

Секвенирование генома C57BL/6 лабораторных мышей было завершено в конце 2002 года. Это был лишь второй геном млекопитающих, секвенированный после человека^[12]. Гаплоидный геном имеет длину около трех миллиардов пар оснований (3000 МБ, распределенных по 19 аутосомным хромосомам плюс 1, соответственно, 2 половые хромосомы), поэтому равен размеру генома человека. Оценить количество генов, содержащихся в геноме мыши, сложно, отчасти потому, что определение гена все еще обсуждается и расширяется. В настоящее время количество первичных кодирующих генов у лабораторных мышей составляет 23 139 ^[13] по сравнению с примерно 20 774 у людей^[13].

Различные мутантные линии мышей были созданы рядом методов. Небольшой выбор из множества доступных штаммов включает в себя:

• Мыши, полученные в результате обычного скрещивания и инбридинга:
  • Мыши с диабетом (NOD) без ожирения, у которых развивается сахарный диабет 1-го типа .
  • Крупные мыши Мерфи Ротса (MRL) с необычными регенеративными способностями^[14].
  • Японские вальсирующие мыши, которые ходят по кругу из-за мутации, отрицательно влияющей на их внутреннее ухо.
  • Голые мыши с иммунодефицитом, лишенные шерсти и тимуса: эти мыши не производят Т-лимфоциты, следовательно, у них нет клеточного иммунного ответа. Их используют для исследований в области иммунологии и трансплантологии.
  • Мыши с тяжелым комбинированным иммунодефицитом (SCID) с почти полностью дефектной иммунной системой.
  • Мыши FVB, большой размер помета которых и крупные пронуклеусы ооцитов ускоряют использование в генетических исследованиях.
  • Toxic milk mouse, которые не могут усваивать питательную медь в молоке, что приводит к гибели детенышей. Это вызвано аутосомно-рецессивной мутацией гена tx, возникшей у инбредного потомства. В 1996 году было обнаружено, что это генетическое заболевание и локализовано в хромосоме 8, рядом с центромерой^[15].

• Трансгенные мыши, в геном которых вставлены чужеродные гены:
  • Аномально крупные мыши со встроенным геном крысиного гормона роста.
  • Онкомышь с активированным онкогеном, что значительно увеличивает заболеваемость раком^[16].
  • Мыши Doogie с улучшенной функцией рецептора NMDA, что приводит к улучшению памяти и способности к обучению.

• Нокаутные мыши, у которых, чтобы изучить функцию продукта гена или смоделировать человеческое заболевание, определенный ген был сделан неработоспособным с помощью метода, известного как нокаут гена:
  • Тучные мыши, склонные к ожирению из-за дефицита карбоксипептидазы Е.
  • Сильные мускулистые мыши с отключенным геном миостатина по прозвищу «могучие мыши».

С 1998 года стало возможным клонировать мышей из клеток, полученных от взрослых животных.

В исследованиях используется множество линий мышей, однако в большинстве областей предпочтительными животными обычно являются инбредные линии. Инбредные мыши определяются как продукт скрещивания не менее 20 поколений брата X и сестры, при этом все особи произошли от одной племенной пары^[17].

У инбредных мышей есть несколько особенностей, которые делают их идеальными для исследовательских целей. Они изогенны, что означает, что все животные практически генетически идентичны^[18]. Примерно 98,7% генетических локусов в геноме гомозиготны, поэтому, вероятно, не существует «скрытых» рецессивных признаков, которые могли бы вызвать проблемы^[18]. Благодаря этой стабильности они также имеют очень унифицированные фенотипы^[18].

Многие инбредные штаммы обладают хорошо документированными характеристиками, которые делают их идеальными для конкретных типов исследований. В следующей таблице показаны 10 самых популярных штаммов по версии Jackson Laboratories.

Филогенетическое древо восьми штаммов-основателей, использованных в проекте DO, а также их приблизительный возраст дивергенции. M. spretus включен как внешняя группа, которая разошлась примерно 2 миллиона лет назад, она не является частью проекта DO.

Проект DO ( Diversity Outbred) компании Jackson Labs ^[19] представляет собой программу разведения мышей с использованием нескольких инбредных линий-основателей для создания генетически разнообразной популяции мышей для использования в научных исследованиях.

Эти мыши созданы для точного генетического картирования и захватывают большую часть генетического разнообразия мышиного генома^[20].

В результате этого проекта было создано более 1000 генетически разнообразных мышей, которые были использованы для выявления генетических факторов таких заболеваний, как ожирение, рак, диабет и расстройства, связанные с употреблением алкоголя^[21].

Лабораторные мыши сохранили многие физические и поведенческие характеристики домашних мышей, однако из-за многих поколений искусственного отбора некоторые из этих характеристик теперь заметно различаются. Из-за большого количества линий лабораторных мышей комплексно описать внешний вид и поведение всех из них нецелесообразно, ниже они описаны для двух наиболее часто используемых штаммов.

Мыши C57BL/6 имеют темно-коричневую, почти черную шерсть. Они более чувствительны к шуму и запахам и с большей вероятностью укусят, чем более послушные лабораторные штаммы, такие как BALB/c ^[22].

Мыши C57BL/6 (и другие линии), содержащиеся в группах, демонстрируют поведение, при котором доминирующая мышь выборочно выщипывает шерсть у своих подчиненных товарищей по клетке^[23] обычно вокруг головы, морды и плеч, хотя залысины могут появиться на любом участке тела. Вибриссы также могут быть удалены. Залысины чаще наблюдается у самок, мыши-самцы с большей вероятностью будут демонстрировать доминирование в драках^[24].

C57BL/6 имеет несколько необычных характеристик, которые делают его полезным для некоторых исследований, но непригодным для других:

• он необычайно чувствителен к боли и холоду, а обезболивающие препараты для этого штамма менее эффективны^[25];
• в отличие от большинства линий лабораторных мышей, C57BL/6 добровольно употребляет алкогольные напитки;
• более восприимчив, чем в среднем, к морфиновой зависимости, атеросклерозу и возрастной потере слуха ^[26];
• при непосредственном сравнении с мышами BALB/c мыши C57BL/6 также демонстрируют как устойчивую реакцию на социальные вознаграждения ^{[27] [28]} так и эмпатию^[29].

BALB/c — это выведенный в лаборатории штамм альбиноса, от которого получен ряд распространенных субштаммов. С 1920 года было выведено более 200 поколений мышей BALB/c, которые распространены по всему миру и являются одними из наиболее широко используемых инбредных линий, используемых в экспериментах на животных^[30].

BALB/c известны тем, что демонстрируют высокий уровень тревожности и относительно устойчивы к атеросклерозу, вызванному диетой, что делает их полезной моделью для сердечно-сосудистых исследований^{[31] [32]}.

Самцы мышей BALB/c агрессивны и будут драться с другими самцами, если их содержать вместе. Однако подштамм BALB/Lac гораздо более послушен^[33]. Большинство сублиний мышей BALB/c имеют длительную репродуктивную продолжительность жизни^[34].

Отмечены различия между различными субштаммами BALB/c, хотя считается, что они обусловлены мутациями, а не генетическим загрязнением^[35]. BALB/cWt необычен тем, что у 3% потомства наблюдается настоящий гермафродитизм^[36].

Мировой рынок мышей с измененными генами составляет более 1,5 миллиарда долларов, увеличиваясь на 7,5 процента в год^[37].