Mutations de l'ADN sporadiques dans la lignée germinale peuvent conduire à la réussite de la reproduction réduite et, si hérité, peuvent provoquer une maladie génétique ou une prédisposition accrue au cancer chez les enfants 1-3. Preuve substantielle démontre qu'une grande proportion de mutations de novo sont héritées de la lignée germinale paternelle 4, et que le nombre de mutations dans la descendance est positivement corrélée avec l'âge du père au moment de la conception 5. La proportion plus élevée de mutations de sexe masculin est considéré comme un résultat de la différence d'âge au cours de la gamétogenèse entre les sexes, le plus grand nombre de divisions cellulaires de la spermatogenèse par rapport au nombre de divisions cellulaires oogenic dans la lignée germinale femelle 2, et une diminution progressive de l'ADN réparer l'efficacité avec l'âge chez les hommes. Tous ces facteurs contribuent à une probabilité accrue d'erreurs de réplication dans la lignée germinale mâle 6. Cependant, l'impact de l'exposition paternelle à Envirofacteurs nnement sur la fréquence des mutations de novo reste incertaine. Néanmoins, un grand nombre d'agents d'environnement sont connues pour induire des mutations germinales chez les rongeurs 7, et il existe des preuves croissantes que certains de ces agents peut aussi affecter la lignée germinale humaine 8. Malgré ces préoccupations, les produits chimiques sont régulièrement testés pour leur capacité à induire des mutations dans les cellules somatiques à des fins réglementaires et il est généralement admis que les tests somatiques sont suffisantes pour protéger la lignée germinale. Par conséquent, les produits chimiques ne sont que rarement évalués pour leur capacité à induire des mutations germinales.
Tests de mutagénicité des cellules germinales Une raison a été largement omis de la réglementation processus de prise de décision est un manque de méthodes pratiques. Méthodes basées sur des rongeurs traditionnels, tels que les mortels 9 et 10 tests spécifiques locus dominantes, estiment les taux de mutation des cellules germinales en marquant phénotypes mutants dans des embryons ou des descendants deparents exposés. Ces tests nécessitent l'utilisation d'un très grand nombre d'animaux, de temps et de ressources pour acquérir des résultats statistiquement significatifs.
Bien que plusieurs méthodes modernes de quantification de mutation des cellules germinales ont récemment vu le jour, beaucoup souffrent de lacunes en termes de praticité, l'efficacité et la pertinence biologique. Par exemple, répéter mutations de longueur à répétition en tandem simples (RETE) loci élargi peut être quantifiée dans les cellules germinales mâles utilisant une approche PCR de molécule unique 15. Toutefois, l'exécution de cette méthode peut être techniquement difficile et laborieux, et contrairement à des mutations ponctuelles, la signification biologique et la santé des changements dans la longueur de répétition du RETE loci très instable restent peu claires 16. Technologies de séquençage du génome entier modernes peuvent fournir une foule de données biologiquement significative lorsqu'elle est appliquée au problème de mutations héréditaires 4,17, mais le coût élevé, les taux d'erreur élevés, validation associé requispour confirmer les mutations, et bioinformatiques défis limiter encore l'application systématique de cette option à titre d'essai réglementaire 18.
Ici, nous décrivons une méthode pratique pour quantifier directement les mutations induites dans les cellules germinales de souris mâles transgéniques. Ce protocole est décrit par le modèle de MutaMouse transgénique, qui a de multiples copies d'un vecteur concaténés λgt10 de phage recombinant contenant un gène rapporteur lacZ intégré Escherichia coli dans les deux copies du chromosome 3 19 (figure 1).
Ce protocole est également s'appliquer à d'autres rongeurs transgéniques (TGR) modèles basés sur les mêmes principes (BigBlue souris et le rat, ou lacZ plasmide souris, etc.) Ou légèrement différents gènes rapporteurs (de la souris delta gpt et le rat, modèles TGR examinés en Lambert et . al 20). Cette méthode est basée sur l'essai de mutation décrit dans l'une TGR récemment publiéet révisée de l'OCDE directrice pour l'essai 21 et nous élaborons sur les considérations spéciales nécessaires pour accueillir évaluation des mutations dans la lignée germinale mâle en raison des caractéristiques uniques de la spermatogenèse. En bref, l'essai consiste à exposer des souris mâles transgéniques à une substance mutagène, suivie par un temps d'échantillonnage lorsque les lésions pré-mutation sont fixés à des mutations stables. A l'instant d'échantillonnage choisi, les souris sont euthanasiées et les cellules germinales sont recueillies à partir de l'une ou l'autre de la queue de l'épididyme ou les tubes séminifères. Comme nous le verrons, des effets mutagènes à différents stades de la spermatogenèse peut être déterminé en sélectionnant le délai entre l'exposition et la collecte de l'échantillon. Inserts transgéniques, comprenant des copies multiples du génome du phage λ par cellule, sont isolés de l'ADN génomique des cellules germinales et emballés dans des capsides vides de phage λ créant des particules de phage infectieux de λ qui sont ensuite utilisés pour infecter un E. hôte coli. Les bactéries infectées sont cultivées sur sélecmédias tives qui peuvent distinguer les cellules contenant un vecteur d'une copie mutée de lacZ de cellules hébergeant de type sauvage lacZ. L'effet mutagène de l'exposition sur la lignée germinale mâle est déterminée en comparant la fréquence des transgènes mutantes entre le contrôle et les souris traitées (Figure 2, examinées dans Lambert et al. 20). Un grand nombre de cellules germinales peut être analysée à partir d'une seule souris, ce qui donne une sensibilité supérieure ce dosage par rapport aux procédés traditionnels, tout en réduisant le nombre d'animaux requis. Et parce que aucun équipement ou de formation spécialisée est nécessaire, ce test fournit une option pratique et efficace pour les tests de mutation des cellules germinales dans la plupart des laboratoires moléculaires modernes de la biologie de toxicologie /.
Une condition essentielle pour l'application effective de l'essai de mutation des cellules germinales TGR est une compréhension du cycle de la spermatogenèse (Figure 3). Le temps pour les cellules germinales de souris au progrès de stcellules em dans les tubules séminifères à spermatogonies, spermatocytes, spermatides, et enfin à la maturité des spermatozoïdes dans l'épididyme (c.-à-la spermatogenèse.) est d'environ 49 jours. Mutation peut se produire à diverses étapes de ce cycle et est souvent spécifique composé. Deux caractéristiques clés qui revêtent un intérêt particulier à la mutagenèse dans les cellules germinales mâles sont l'arrêt de la synthèse de l'ADN lors de la méiose tôt, et la perte progressive de la capacité de réparation d'ADN 6 à la fin de l'après-méiose, deux processus qui sont nécessaires pour l'induction et la fixation de la plupart des mutations.
En raison de ces caractéristiques uniques de la spermatogenèse, il ya trois variables expérimentales critiques pour la conduite de la TGR mutation des cellules germinales essai: (1) le temps de l'administration du composé d'essai; (2) le temps d'échantillonnage; et (3) la sélection de la population de cellules germinales de recueillir pour analyse (figure 3 et tableau 1). Le temps d'administration est le experimeNTAL variables qui détermine la façon dont les cellules cibles longues sont exposées aux composés d'essai. La longueur de la durée d'administration peut également être utilisé pour cibler l'exposition à des types cellulaires spécifiques ou des phases de la spermatogenèse. Par exemple, une administration quotidienne unique pourrait être utilisée pour déterminer les effets d'une exposition de courte durée sur un type cellulaire particulier. De même, l'exposition peut être porté à toute une phase de la spermatogenèse, par exemple en ciblant les spermatocytes seule division méiose, ou division mitotique des spermatogonies en utilisant un temps d'administration de 2 semaine et un temps d'échantillonnage approprié. Temps de l'administration chronique et subchronique sont utilisées pour évaluer les effets de l'exposition à long terme, pour assurer la distribution de pharmacocinétique du composé suffisante de test, ou de permettre une accumulation suffisante de mutations de mutagènes faibles (par exemple le temps d'administration de 28 jours recommandé dans le test de l'OCDE directive).
Temps d'échantillonnage est la variable critique pour déterminer à quila phase de la spermatogenèse les cellules cibles étaient dans au moment de l'exposition. La période d'échantillonnage dicte combien de temps, et donc combien plus loin le long du cycle de la spermatogenèse, les cellules passer après l'exposition. Par exemple, pour étudier les effets dans les spermatogonies de cellules souches, un temps d'échantillonnage> 49 jours est nécessaire si la collecte de sperme en pleine maturité, ou> 42 jours si la collecte de cellules germinales immatures à partir des tubules séminifères, afin de s'assurer que toutes les cellules recueillies ont eu suffisamment de temps pour développer à partir de cellules exposées tiges. Il est important de noter que le temps d'échantillonnage d'au moins 70 jours serait préférable de démontrer un véritable effet sur les cellules souches à prévoir suffisamment de temps pour la distribution de pharmacocinétique de la substance toxique, pour l'élimination des cellules exposées à des phases ultérieures de la spermatogenèse, et pour tenir compte de une période de stérilité temporaire qui peut se produire ~ 6 semaines après l'exposition à des composés hautement mutagènes 22. De même, un temps d'échantillonnage de 21 jours permettrait de garantir que les spermatozoïdes colleDirection exécutive de l'épididyme de la queue de l'auraient tout juste de terminer la méiose, le dernier jour de l'exposition.
Les cellules germinales peuvent être collectées comme spermatozoïdes matures de la queue de l'épididyme, ou un mélange de différents types de tubes séminifères des cellules de la spermatogenèse. Sperme mûr dans le reste de la queue de ~ 3 jours, ce qui permet de déterminer avec précision par rapport au type de cellule ou de la phase de la spermatogenèse à partir de laquelle le sperme est issue de tout protocole expérimental donné. Ainsi, l'analyse de la queue de sperme permis hautement recherches sur les effets de mutations spécifiques au stade ciblé. D'autre part, les suspensions de cellules recueillies à partir des tubules séminifères contiennent un mélange de différents types de cellules germinales dans les différentes phases du développement, et offrent donc une moins bonne résolution de la phase de la spermatogenèse, dans lequel les mutations sont originaires. En outre, les suspensions de cellules récupérées à partir des tubules séminifères ont tendance à contenir une représentation des spermatides-dessus, suivie par les spermatocytes, et very peu spermatogonies et les cellules souches (ces proportions sont représentés par des barres blanches gradués sur la figure 3). En outre, les suspensions préparées à partir des tubules séminifères peuvent également contenir diverses cellules somatiques. Ainsi, en raison tant de types de cellules sont présentes, les effets de mutations peuvent être influencées par une variété de cellules non cibles. Toutefois, la collecte des échantillons de tubes séminifères offre une option économique pour le dépistage simultané de plusieurs types de cellules germinales, et une intégration facile de l'analyse des cellules germinales dans le protocole d'essai standard de l'OCDE pour une mutation somatique.
Pour réitérer, selon les besoins du chercheur, le temps d'administration, la durée de l'échantillonnage et de la population de cellules recueillies peuvent être ajustés pour interroger les effets de l'exposition à divers types de cellules et à des phases différentes de la spermatogenèse. En choisissant soigneusement ces variables, les expériences peuvent être conçus pour des études mécanistiques ciblées, ou pour le test réglementaire plus généraliséefins ing.
Pour atteindre la maîtrise de l'analyse, nous recommandons l'utilisation d'une administration orale aiguë de 100 mg / kg de N-éthyl-N-nitrosourée (FRA), suivie par une période d'échantillonnage de 70 jours de contrôle positif. Analyse de la queue des spermatozoïdes vise ainsi les cellules souches des spermatogonies (figure 3), qui présentent généralement une multiplication par 4-5 dans la fréquence des mutants (MF) par rapport aux témoins suite à cette dose très mutagène de FRA. Il est à noter que cette dose est connue pour induire la stérilité six semaines après l'exposition, ainsi il peut ne pas être une dose de commande approprié pour la réduction des temps d'échantillonnage. Cette dose sera également produire une augmentation détectable dans la plupart des tissus MF 20 somatiques. Les résultats représentatifs présentés ci-dessous ont été recueillies à la suite d'un régime d'exposition aiguë +70 utilisant trois doses de FRA jusqu'à et y compris 100 mg / kg.