実験用マウスの発生と繁殖

Development and Reproduction of the Laboratory Mouse
JoVE Science Education
Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick
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JoVE Science Education Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick
Development and Reproduction of the Laboratory Mouse

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09:04 min
April 30, 2023

Overview

実験用マウス(Mus musculus)を繁殖させることは、マウスの高い生産性を確立し維持するために不可欠です。そしてマウス胚は発生プロセスの解明のための研究に頻繁に利用されます。マウス胚の遺伝子発現を操作するための様々なテクニックが開発されており、ヒト遺伝性疾患の研究に貢献しています。

このビデオでは、マウスの繁殖と発生について学ぶことができます。発生過程を定義するための用語や主要な発生ステージについて解説しています。最初に、子宮内での発生イベントや初期胚特有の構造について紹介し、次に出生後の仔マウスの離乳プロセスや母マウスから離す時期などの飼育方法を説明しています。また繁殖をコントロールするためにオスとメスを別々のケージに移す時期や性別の判別方法、さらに胚発生のタイミング調整に有用な交尾後の膣栓の確認などの繁殖方法を紹介しています。最後に、マウスの発生を制御する複雑なプロセス解明のための研究戦略や遺伝子を操作し作製する”ノックアウト”マウスについて解説しています。

Procedure

マウスは素晴らしいモデル生物であり、ヒトの発生や疾患の解明に貢献し続けています。マウスは哺乳類の中でも繁殖力が高く発生も早いため、短期間でたくさんの匹数を揃えることが可能です。

子宮内で発生する胚は特別な構造を持っており、その研究はヒト発生の解明に役立ちます。このビデオでは、マウスの繁殖と各発生ステージの解説、そして繁殖のさせ方やそれらが研究へどう応用できるのか紹介していきます。

最初にマウスの繁殖について知っておきましょう。ヒトと同様、マウスの初期胚は体内で発生が進み、母親の子宮角で妊娠が成立します。しかしながら、私達とは違ってマウスは同時に多くの子を妊娠することができ、その平均は1度に10匹から12匹です。

マウスの発生について学ぶ前に、発生段階の呼び方を紹介しておきます。最も一般的なのは、受精後、胎生0日又はE0からスタートし、その後出生日まで受精後の日数で各ステージを定義づける方法です。生まれた後は出生後0日又はP0から再スタートします。

同じお腹の中の胚同士でも発生タイミングは多少異なってきます。そこでTheilerステージングのような形態学に基づいたステージング方法も使用されます。

次は、最初の数週までに観察されるマウス胚発生の形態学的な変化について詳しく見ていきましょう。

卵母細胞が受精すると、胚の活動がゆっくりと始まり、最初の3日目までに4回の細胞分裂が行われます。それから胎生4日目まで分裂を繰り返した細胞は再編成され、空洞をもつ胚盤胞と呼ばれる細胞になります。この胚盤胞のうち、多能性幹細胞からなる内部細胞塊又はICMが、後に胚の本体となります。残りは栄養外胚葉と呼ばれる細胞で、後に胎盤を形成し胎仔に酸素と栄養を供給します。

その後、マウスの発生は少し複雑になります。ほとんどの哺乳類の胚を形成する細胞は円盤状の構造をしています。しかしマウスの場合はカップ形の構造をしているのです。カップの外側の細胞層は内胚葉と呼ばれ、後に消化管などの深部組織を形成します。また、紛らわしいですが内側の細胞は外胚葉と呼ばれ、後に毛髪や表皮などの体の表面の組織となります。

この層が反転した状態は胎生8日目頃まで続き、その後くるりと向きが変わります。この時点までに、その他にも重要な構造ができあがります。例えば体節は、将来骨格筋へと分化する構造で、 肢芽(しが)は前肢や後肢となる構造です。

その後の発生は素早く進み、 胎生12日目までには主要器官である肺や消化管などができあがってきます。そして、胎仔が母親の体外でも生存可能となるのは、妊娠後たったの19日から21日です。

子宮内での発生プロセスの後は、生後の話を見ていきましょう。小さく毛のないマウスの赤ちゃんは目を閉じたまま生まれてきます。

生まれて最初の数週間は、メスのマウスの母乳から栄養をもらいます。その後、生まれて3週間ほどで離乳します。このときが母親から離して別のケージに移すタイミングです。

繁殖をコントロールするために、この時点からオスとメスを別々に飼育します。性別を判別するには、肛門と生殖器の距離を確認します。この距離はオスよりもメスの方が短いのが特徴です。

仔マウス用に床敷を敷いたケージを準備します。慣れるまでは、ペレット状のエサを水で柔らかくしたり、ウェットタイプのエサを入れた皿を置いてあげたり、また水もあげるようにして下さい。

マウスが性成熟するのは、離乳後数週間であり、生後2ヶ月から9ヶ月が繁殖に適した時期です。

次は繁殖方法について見ていきましょう。 マウスの行動はサーカディアンリズムに大きく影響されることを覚えておいて下さい。夜行性であるマウスは夜に繁殖行動を行います。

またフェロモンも大変重要です。まずはオスとメスが仲良くなる機会を与えてあげましょう。できる限り多くの仔マウスを誕生させるために、オス1匹に対しメスを4匹まで組み合わせます。

胚発生のタイミングを調整するために、翌朝メスのマウスの膣栓を確認します。これは交尾を行った印です。マウスには4〜5日に1度排卵が起こるため、もしそのとき膣栓が確認できなくてもそのままにして次のチャンスを待ちましょう。メスが妊娠していることを確認できたら、ケージからオスを取り出し、生まれてくるマウスの脅威とならないようにします。

哺乳類の胚発生を制御する複雑なプロセスを研究するための素晴らしいテクニックが開発されています。いくつかの例をみてみましょう。

細胞を標識し、どのように発生し器官形成されるのか追跡することで、予定運命図を作成することができます。

これは、蛍光タンパク質の発現によりごく一部の細胞に色が着いたもので、胎仔と大人マウスの脳に発現した細胞の役割を調べることができます。

発生過程における特定遺伝子の役割を解明するために、その遺伝子を過剰発現させることがあります。それには子宮内エレクトロポレーション法というテクニックを利用します。DNAを組織に微量注入し、その後電流をかけて胚細胞内に導入します。その結果特定の細胞内に遺伝子を発現させることができます。ここでは、胚の中の中枢神経系に赤色蛍光タンパク質を発現させています。

遺伝子の一部を欠損させたノックアウトマウスを作製することで、永久的に遺伝子発現をコントロールすることができます。まずは初期胚から幹細胞を単離し、ゲノム改変を行います。改変細胞を胚盤胞内に移植したら今度はメスのマウスに移植し妊娠させます。そして誕生した正常細胞とノックダウン細胞を併せ持つキメラマウスを掛け合わせることで、ホモ接合体ノックアウトマウスを作製できます。

ここまで、マウスの繁殖と発生についてご覧いただきました。このビデオでは、マウスの繁殖と胎生期、出生後の発生について、さらにマウスの繁殖方法や素晴らしいマウス発生の研究例を紹介しました。ご覧いただきありがとうございました。

Transcript

Mice are extremely valuable model organisms that continue to improve our understanding of human development and disease. Among mammals, mice have a high fecundity and rapid development, meaning that colonies can be quickly expanded.

Since development within the womb requires some specialized embryonic structures, the study of embryogenesis in a mammalian model is also more relevant to humans. In this video, we will discuss the stages of mouse reproduction and development, how to breed mice, and ways to apply mouse reproductive and developmental knowledge in the lab.

First let’s talk a little bit about mouse reproduction. Like humans, early mouse development is internal, with gestation occurring within the uterine horns of the mother, who’s called a “dam.” However, unlike most of us, mice carry many fetuses at once, producing an average litter size of 10 – 12 pups in one gestation period.

Before discussing the development of these pups in more detail, let’s review the terms used to identify the developmental stages. The most common staging system begins at embryonic day zero, or E0, on the day of successful copulation. After that, each stage is defined by the number of days since fertilization right up through the day of birth when the numbering restarts at postnatal day zero, or P0.

Since developmental timing can vary slightly even between embryos of the same litter, alternative approaches based on morphology rather than time post fertilization, like Theiler staging, can also be used.

Next, let’s take a closer look at the morphological changes that occur during those first few weeks of mouse development.

After fertilization of the oocyte, the embryo starts its life slowly, completing only 4 rounds of cell division in its first 3 days. However, by E4 these cells have multiplied and reorganized to form a compacted, hollow ball of cells known as the “blastocyst.” At this stage, the cells that will eventually give rise to the embryo itself are all found within a cluster of stem cells known as the inner cell mass, or ICM. The remaining cells, known as the trophoblast cells, will become part of the placenta that provides oxygen and nutrition to the embryo.

After this point, rodent development gets a little twisted. In most mammals, the cells that give rise to the embryo form a disc-like structure. In contrast, the mouse embryo has a cup-shaped configuration. Cells on the outside of this cup form a cell layer known as the endoderm, which eventually gives rise to deep tissues such as the lining of the digestive tract. Confusingly, the cells on the internal surface of the cup represent the ectoderm, which forms more superficial tissues, like hair and skin.

This inverted layout persists until about embryonic day 8, when the embryo quite literally turns itself around. By this point, a few other recognizable structures have developed, including the somites, which give rise to tissues like the skeletal muscle; and the limb buds, which will form the fore and hind limbs.

Things move pretty quickly from here, with the development of major organ systems, such as the lungs and digestive tract, well under way by embryonic day 12. Remarkably, the embryos are ready to survive outside the mother after only 19 -21 days of gestation.

Now that you have a feel for how development proceeds in utero, let’s talk about what happens after mice give birth. The newborn mice, or pups, are tiny, hairless, and blind.

For the first few weeks of life, the pups can receive nourishment from any available lactating female. Then, about three weeks after birth, they are ready for weaning, meaning it’s time to move out of Mom’s place into a cage of their own!

In order to control future breeding, you’ll need to separate the males and females at this point. To identify the sexes, examine the distance between the anus and external genitalia. In females, this distance will be shorter than in males.

To prepare the pups’ new home, line a cage with a layer of bedding. Since they’re still getting used to the new digs, add some food pellets softened with water or a dish of wet food to the bottom of the cage in addition to providing water.

Mice become sexually mature within a few weeks of weaning, with their peak breeding usually falling between 2 and 9 months of age.

So how do we use this information to start a breeding colony? First, it’s important to remember that a mouse’s behavior is significantly impacted by its circadian rhythm; since they’re nocturnal, your mice will breed at night.

Pheromones also play a big part in mouse behavior, so it’s helpful to “introduce” potential mates to let them get to know each other. To maximize the number of pups born during a breeding cycle, combine one male mouse with up to 4 females.

To precisely time embryo development, return in the morning to check each female mouse for a vaginal mucus plug, which is deposited by the male during copulation. Mice ovulate every 4 – 5 days; so if you don’t see a plug right away, keep the mice together for another chance later that week. Once you’ve determined that some of the females are pregnant, remove the male mouse from the cage, as they can be a threat to the newborn pups.

In order to study the complex processes controlling the development of mammalian embryos, scientists have developed some very cool techniques. Let’s take a look at some examples.

To start, fate mapping is an approach in which cells are marked and tracked in vivo to determine how they contribute to specific structures in developing and adult tissue.

Here, the expression of a fluorescent protein is turned on in a small population of cells to track the contribution of cells expressing the protein to fetal and adult brain tissue.

In order to test the role of a specific gene in development, it is helpful to examine the outcome of its overexpression. In a technique called in utero electroporation, DNA is delivered to the embryo by microinjection and then driven into cells by applying electric current across the tissue. The result is the induction of gene expression in specific cells, as demonstrated by the red fluorescent protein expression in the central nervous system of this embryo.

More permanent changes to gene expression come in the form of knockout mice, in which a portion of a gene is removed. To generate these mice, stem cells are isolated from early embryos and subjected to genome modification. The modified cells are transplanted into a blastocyst, which is then implanted into a female for gestation. The resulting pup will be a “chimera” composed of both normal and knockdown cells, and can be bred to generate homozygous knockout mice.

You’ve just watched JoVE’s overview of mouse reproduction and development. In this video we covered mouse reproduction, prenatal and postnatal development, and how to breed mice. We also discussed some exciting applications for studying mouse development in the lab. Thanks for watching!