Mutazioni del DNA sporadici nella linea germinale possono portare al successo riproduttivo ridotta e, se ereditata, possono causare malattie genetiche o accresciuta predisposizione al cancro nella prole 1-3. Prova sostanziale dimostra che una grande percentuale di mutazioni de novo sono ereditate dalla linea germinale paterna 4, e che il numero di mutazioni nella progenie è positivamente correlata con l'età paterna al momento del concepimento 5. La percentuale più elevata di mutazioni maschili si crede di essere il risultato della differenza di età durante la gametogenesi tra i sessi, il maggior numero di divisioni cellulari spermatogeniche rispetto al numero di divisioni cellulari oogenic nella linea germinale femminile 2, e un progressivo declino nel DNA ripristinare l'efficienza con l'età nei maschi. Tutti questi fattori contribuiscono ad una maggiore probabilità di errori di replicazione nella linea germinale maschile 6. Tuttavia, l'impatto di esposizione paterna alla Envirofattori nmental sulla frequenza delle mutazioni de novo resta incerto. Tuttavia, un gran numero di agenti ambientali sono noti per indurre mutazioni germinali nei roditori 7, e ci sono prove crescenti che alcuni di questi agenti possono anche influenzare la linea germinale umana 8. Nonostante queste preoccupazioni, i prodotti chimici vengono regolarmente testati per la loro capacità di indurre mutazioni nelle cellule somatiche a fini regolamentari e si presume generalmente che i test somatici sono sufficienti per proteggere la linea germinale. Pertanto, le sostanze chimiche sono solo raramente valutati per la loro capacità di indurre mutazioni delle cellule germinali.
Uno dei motivi di test mutagenicità sulle cellule germinali è stata ampiamente omesso dal processo decisionale normativo è una mancanza di metodologie pratiche. Metodi basati roditori-tradizionali, come ad esempio le dominanti letali 9 e specifiche locus 10 prove, stimano tassi di mutazione delle cellule germinali segnando fenotipi mutanti in embrioni o figli digenitori esposti. Questi test richiedono l'uso di un gran numero di animali, tempo e risorse per acquisire risultati statisticamente significativi.
Anche se di recente sono emersi diversi metodi moderni per quantificare la mutazione della cellula germinale, molti soffrono carenze in termini di praticità, efficienza e rilevanza biologica. Ad esempio, ripetere mutazioni lunghezza alla ampliato semplice tandem repeat (ESTR) loci può essere quantificato in cellule germinali maschili utilizzando una singola molecola PCR approccio 15. Tuttavia, l'esecuzione di questo metodo può essere tecnicamente impegnativo e laborioso, e, a differenza mutazioni puntiformi, il significato biologico e la salute dei cambiamenti nella lunghezza di ripetizione del ESTR loci altamente instabile rimangono poco chiari 16. Intere tecnologie di sequenziamento del genoma moderne in grado di fornire una grande quantità di dati biologicamente significativo quando applicato al problema di mutazioni ereditarie 4,17, ma il costo elevato, i tassi di errore elevati, convalida associati richiestiper confermare le mutazioni, e bioinformatica sfide ancora limitare l'applicazione di routine di questa opzione in un test di capacità di regolamentazione 18.
Qui, descriviamo un metodo pratico per quantificare le mutazioni indotte direttamente nelle cellule germinali di topi maschi transgenici. Questo protocollo è descritto per il modello MutaMouse transgenico, che ha più copie concatenato di un vettore λgt10 fago ricombinante contenente un gene reporter lacZ Escherichia coli integrato in entrambe le copie del cromosoma 3, 19 (Figura 1).
Questo protocollo è rilevante anche per altri (TGR) modelli di roditori transgenici basati sugli stessi principi (BigBlue topi e ratti, topi o lacZ plasmide, ecc.) O leggermente differenti geni reporter (gpt topo e nel ratto delta, modelli TGR recensione in Lambert et al. 20). Questo metodo si basa sul test di mutazione TGR descritto in una recente pubblicazionee rivisto OECD TG 21 e approfondire le considerazioni speciali necessari per ospitare la valutazione delle mutazioni nella linea germinale maschile a causa delle caratteristiche uniche di spermatogenesi. In breve, il test consiste nell'esporre topi maschi transgenici ad una sostanza mutagena, seguito da un tempo di campionamento in cui le lesioni pre-mutazionali sono fissati in mutazioni stabili. Al tempo di campionamento prescelto, i topi sono eutanasia e le cellule germinali sono raccolti sia dal epididimo cauda o tubuli seminiferi. Come discusso in seguito, effetti mutageni nelle diverse fasi della spermatogenesi può essere determinato selezionando il tempo tra l'esposizione e la raccolta del campione. Inserti transgenici, composti da più copie del genoma del fago λ per cella, sono isolati da cellule germinali DNA genomico e confezionati in vuoti capsidi fago λ λ creando infettive particelle fagiche che vengono poi utilizzati per infettare un E. accoglienza coli. I batteri infetti sono coltivate su Selecsupporti tivi in grado di distinguere le cellule contenenti un vettore con una copia mutata del lacZ dalle cellule che ospitano wild-type lacZ. L'effetto mutageno dell'esposizione sulla linea germinale maschile è determinata confrontando la frequenza di transgeni mutanti tra controllo e topi trattati (Figura 2, recensiti in Lambert et al. 20). Un gran numero di cellule germinali può essere dosati da un singolo topo, dando questo test di sensibilità superiore rispetto ai metodi tradizionali, riducendo il numero di animali necessari. E poiché non è necessaria alcuna attrezzature specializzate o di formazione, questo saggio fornisce una soluzione pratica ed efficace per i test di mutazione delle cellule germinali nella maggior parte dei laboratori di biologia molecolare di tossicologia / moderni.
Un requisito essenziale per l'efficace applicazione della TGR saggio di mutazione delle cellule germinali è la comprensione del ciclo di spermatogenesi (Figura 3). Il tempo per le cellule germinali del mouse per passare da stle cellule em nei tubuli seminiferi a spermatogoni, spermatociti, spermatidi, e infine a maturare spermatozoi nell'epididimo (es. spermatogenesi) è di circa 49 giorni. La mutazione può avvenire in varie fasi di questo ciclo e spesso è specifico composto. Due caratteristiche fondamentali che sono di particolare rilevanza per mutagenesi nelle cellule germinali maschili sono la cessazione della sintesi del DNA durante la prima meiosi, e la progressiva perdita della capacità di riparazione del DNA 6 durante la post-meiosi tardi, due processi che sono necessari per l'induzione e la fissazione di maggior parte delle mutazioni.
A causa di queste caratteristiche uniche di spermatogenesi, ci sono tre variabili critiche sperimentali per lo svolgimento della TGR mutazione delle cellule germinali test: (1) il tempo di amministrazione composto in esame; (2) il tempo di campionamento; e (3) la selezione della popolazione di cellule germinali per raccogliere per analisi (Figura 3 e Tabella 1). Tempo di Amministrazione è il experimevariabile ntale che determina come le cellule bersaglio lunghe sono esposti ai composti in esame. La lunghezza del tempo di somministrazione può essere utilizzato anche per esposizioni a tipi o fasi della spermatogenesi cellulari specifici bersaglio. Per esempio, una singola somministrazione giorno potrebbe essere utilizzata per determinare gli effetti di un'esposizione acuta su un particolare tipo di cellula. Allo stesso modo, l'esposizione può essere focalizzata ad un'intera fase della spermatogenesi, per esempio il targeting spermatociti solo meiotically divisione, o mitoticamente dividendo spermatogoni utilizzando un tempo di somministrazione di 2 settimane e un tempo di campionamento appropriato. Tempi di somministrazione cronica e sub-cronica sono utilizzate per valutare gli effetti dell'esposizione a lungo termine, per garantire una sufficiente distribuzione farmacocinetica del composto in esame, o permettere l'accumulo sufficiente di mutazioni da mutageni deboli (per esempio, il tempo di somministrazione 28 giorni raccomandato nella prova OCSE linea guida).
Tempo di campionamento è la variabile cruciale per determinare a qualifase della spermatogenesi cellule bersaglio erano in al momento dell'esposizione. Il tempo di campionamento determina quanto tempo, e quindi quanta più avanti lungo il ciclo di spermatogenesi, le cellule passano attraverso dopo l'esposizione. Ad esempio, per studiare gli effetti di cellule staminali spermatogoni, un tempo di campionamento> 49 giorni sono necessari se la raccolta di sperma completa maturazione, o> 42 giorni se la raccolta di cellule germinali immature dai tubuli seminiferi, al fine di garantire che tutte le cellule raccolte hanno avuto abbastanza tempo per sviluppano da cellule esposte steli. E 'importante notare che un tempo di campionamento di almeno 70 giorni sarebbe preferibile a dimostrare un vero effetto di cellule staminali per fornire il tempo sufficiente per la distribuzione farmacocinetica della sostanza tossica, per l'eliminazione delle cellule esposte a successive fasi della spermatogenesi, e per tenere conto di un periodo di sterilità temporanea che può verificarsi ~ 6 settimane dopo l'esposizione a composti altamente mutageni 22. Allo stesso modo, un tempo di campionamento di 21 giorni dovrebbe garantire che lo sperma colleCTED dall'epididimo cauda avrebbero appena completato la meiosi l'ultimo giorno di esposizione.
Le cellule germinali possono essere raccolti come spermatozoi maturi dal epididimo cauda, o come una miscela di vari tipi di cellule della spermatogenesi dai tubuli seminiferi. Sperma maturo rimangono nel cauda per ~ 3 giorni, rendendo possibile determinare con precisione relativa del tipo di cellula o fase della spermatogenesi da cui lo sperma è nato per un dato disegno sperimentale. Pertanto, l'analisi di cauda sperma permessi altamente indagini sugli effetti delle mutazioni specifiche stadio mirati. D'altra parte, sospensioni di cellule raccolte dai tubuli seminiferi contengono una miscela di vari tipi di cellule germinali in diverse fasi di sviluppo, e quindi offrono una risoluzione più povero della fase spermatogenesi in cui le mutazioni origine. Inoltre, sospensioni cellulari recuperati dai tubuli seminiferi tendono a contenere una rappresentazione over-di spermatidi, seguita da spermatociti, e very pochi spermatogoni e cellule staminali (queste proporzioni sono rappresentate da barre bianche graduate in figura 3). Inoltre, sospensioni preparate dai tubuli seminiferi possono anche contenere varie cellule somatiche. Così, perché così tanti tipi di cellule sono presenti, gli effetti mutazionali possono essere influenzati da una varietà di cellule non bersaglio. Tuttavia, la raccolta di campioni da tubuli seminiferi offre un'opzione economica per lo screening contemporaneamente più tipi di cellule germinali, e la facile integrazione di analisi delle cellule germinali nel protocollo di test OECD standard per mutazione somatica.
Per ribadire, a seconda delle esigenze del ricercatore, tempo di somministrazione, il tempo di campionamento e la popolazione di cellule raccolte può essere regolata per interrogare gli effetti dell'esposizione in vari tipi cellulari e in diverse fasi della spermatogenesi. Selezionando attentamente queste variabili, esperimenti possono essere progettati per studi meccanicistici mirati, o per prova normativo più generalizzatascopi ing.
Per raggiungere competenza nel test, si consiglia l'uso di una somministrazione orale acuta di 100 mg / kg di N-etil-N-nitrosourea (ITA), seguito da un 70 giorni tempo di campionamento di controllo positivo. Analisi della cauda spermatozoi si rivolge così le cellule staminali spermatogoni (Figura 3), che in genere presentano un aumento di 4-5 della frequenza dei mutanti (MF) nel corso dei controlli in seguito questa dose altamente mutageno di ENU. Va notato che questa dose è nota per indurre sterilità sei settimane dopo l'esposizione, quindi non può essere una dose di controllo adatto per tempi di campionamento più brevi. Questa dose produrrà anche un aumento rilevabile in MF nella maggior parte dei tessuti somatici 20. I risultati rappresentativi presentati di seguito sono generate a seguito di un regime acuta +70 esposizione con tre dosi di ENU in finale fino a 100 mg / kg.