ヒトゲノムマップの作成開始から既に10年以上が経過していますが、全てのヒト遺伝子の機能が解明されるまでにはまだまだ時間がかかります。遺伝子機能を調べる一つの方法として、その遺伝子配列を欠損させ、その変化(表現型)が動物の生体に与える影響を評価することができます。そのために一般的にヒト遺伝子と高い類似性を持つマウス(Mus musculus)が用いられます。何世代にも渡ってマウスの遺伝子変化を追跡するために必須となるのが、各マウスのDNAをスクリーニングするためのジェノタイピングと呼ばれるテクニックです。
このビデオでは、マウスのジェノタイピングの概念とその手順について解説しています。最初にホモ接合体、ヘテロ接合体、野生型、突然変異体、トランスジェニックなどの用語を含むマウスの遺伝学の基本を説明しています。次に、マウス組織からゲノムDNAを抽出し精製するための工程やジェノタイピング結果の読み取り方、さらに目的遺伝子型の追跡方法も紹介しています。そして最後に、ジェノタイピングがマウス研究の必須テクニックとなっている理由をアプリケーション例と共に学ぶことができます。
ジェノタイピングとは、特定のDNA配列の存在の有無を確認するためのテクニックです。遺伝子はマウスの表現型を反映するので、遺伝子構造つまり”ジェノタイプ”を調べることでそのマウスの特徴を知ることができます。このビデオでは、マウスの遺伝学、ジェノタイピングの方法、PCR法を用いたジェノタイピング結果の読み取り方などを紹介していきます。
マウスのジェノタイピングを利用する目的を理解するために、マウスの遺伝子がどのように操作されるのか見ていきましょう。
遺伝子について調べるために、遺伝子配列を改変し機能不全を誘導する方法があります。マウスは2倍体細胞で構成されており、どの遺伝子も2コピーずつ存在します。予め調べたい表現型を1コピーだけ欠損させたマウスを交配させることで、両方の遺伝子が欠損した仔を誕生させることができます。
この遺伝子型は、ホモ接合体ノックアウト又は単にノックアウトと呼ばれます。2コピーとも機能している正常マウスは、ホモ接合体ワイルドタイプ又は野生型と呼ばれます。そして、1コピーのみが機能しているマウスは、ヘテロ接合体又は単にヘテロと呼ばれます。
遺伝子を取り除く他にも、マウスゲノムにDNA配列を導入する方法があります。この挿入するためのDNA断片はトランスジーンと呼ばれ、トランスジーンが導入されたマウスがトランスジェニックです。最も一般的なトランスジーンは、緑色蛍光タンパク質、GFPであり、クラゲから単離されます。組織特異的プロモーターを利用してGFPを発現させ、その緑色の蛍光により簡単に細胞を確認することができます。
遺伝子の変化がGFPのように識別しやすい表現型ではないことがあります。その場合はジェノタイピングを行い実験に用いるマウスを決定します。ジェノタイピング開始前に、マウスにラベルをつけ、後からでも識別できるようにしておきます。もっと長く使えるラベルを選びましょう。一般的なのは、耳に切り込みを入れ、その位置と数により識別する方法です。
次に、少量の組織、通常尻尾を2-5mmカミソリの刃かハサミで切断し、そこからDNAを抽出します。複数のマウスから組織を採取する場合は、刃に印をつけ、同じ部分で切断しないようにして下さい。サンプルに別のサンプルが混入しないようにします。
組織から遺伝物質を分離するために、プロテイナーゼK酵素溶液中でサンプルを処理します。そのまま一晩置いたサンプルを遠心分離機にかけ、毛などの不要物質を除去します。溶解物からDNAを単離するには、アルコールを加え核酸を沈殿させる方法が効率的です。短時間のインキュベーション後に再度遠心分離を行いペレット状のDNAを採取します。
70%エタノールで過剰な塩を洗った後にペレット状のDNAを水又はバッファー中で再懸濁させたらジェノタイピングの準備完了です。
特定のDNA配列の存在の有無を確認するための様々な方法があります。その多くの第一段階はポリメラーゼ連鎖反応、PCRによる目的遺伝子領域の増幅です。PCR法についてのより詳細な解説はJoVEサイエンスエジュケーションPCR法編をご覧下さい。
遺伝子型解析法の一つに、PCR増幅断片のサイズの変化を検出する方法があります。ここに700塩基対を挿入したマウスがいたとします。PCR後、野生型のバンドは200塩基対に、トランスジェニックは900塩基対に検出されます。
反応生成物をアガロースゲル上で分離させ、目的断片のサイズを推定します。野生型コントロールのバンドは200塩基対のみに、トランスジェニックコントロールは900塩基対のみに、そしてヘテロはどちらのバンドも検出されるはずです。“no template”コントロールは余分なDNAが混入していないことを確認するためのものなので、何も検出されていません。
コントロールを確認できたら、未知の表現型解析を始めていきましょう。マウス1と2は野生型のバンドのみ検出されているため、ホモ接合体ワイルドタイプであることが分かります。マウス4と6はトランスジーンバンドのみなので、ホモ接合体トランスジェニックです。そしてどちらのバンドも検出されたマウス3と5はヘテロということになります。
マウスの耳の切り込みと識別番号を照らし合わせ目的の表現型マウスを見つけ出して下さい。
表現型とその解析法について学んだところでこれを利用した研究例を見ていきましょう。
目的の表現型を得るために、より複雑な遺伝子改変が求められるケースがあります。マウス皮膚がんモデル作製には2つのトランスジーンが必要です。 1つはがん遺伝子を誘導する、もしくは発がん性の遺伝子です。もう1つはCreリコンビナーゼと呼ばれる酵素です。皮膚細胞でのみ発現しがん遺伝子の転移を防ぐ配列を切断することで発ガンを促します。これら両方をもつマウスを誕生させるためにヘテロマウス同士を交配させます。その後ジェノタイピングを実施し遺伝子型を確認して下さい。
時には、実験前にマウスの遺伝子型を決定できない場合があります。例えば、胎仔の心拍の研究を行う場合、心拍に影響を与えることなくジェノタイピング用の組織を採取することはほぼ不可能です。そんなときは、母親の体内での胎仔の位置を慎重に印をつけてから超音波測定を行います。そして最後に尻尾から遺伝子型を決定し心拍への影響を調べます。
このビデオではDNA抽出法を1つだけ紹介しましたが、多様なバリエーションがあります。ダイレクトPCRシステムでは5分以内での組織消化が求められます。そして未分解物質を下に落としたら、上清を用いてそのままPCRができ、DNA精製の手間を省くことができます。
ここまでマウスのジェノタイピングについてご覧いただきました。このビデオでは、マウス遺伝学の基本とDNAサンプルの準備•解析方法、そしてこのテクニックの応用例を紹介しました。ご覧いただきありがとうございました。
Genotyping is the process of detecting the presence, or absence, of specific DNA sequences in a particular organism’s genome.
Since genes can influence a mouse’s phenotype, being able to probe an individual mouse’s genetic make-up, or “genotype,” is critical for attributing a phenotype to a specific gene. This video will explore mouse genetics, demonstrate key steps of the genotyping procedure, and explain how to interpret PCR-based genotyping results.
In order to understand what researchers look for when they genotype mice, let’s review some common manipulations to mouse genetics.
To study a gene, scientists frequently disrupt its function by altering its genetic sequence. However, mice are diploid, so they have two copies of any given gene. Since most genes need only one normal copy to function, the mice must be bred to produce an animal with both genes disrupted prior to studying phenotype.
This genotype is called a “homozygous knockout,” or more commonly just “knockout” for short. Conversely, a normal mouse with two functional copies is called a “homozygous wildtype,” or just “wildtype.” Finally, mice with just one functional copy are referred to as “heterozygous,” or “hets.”
Instead of removing genetic material, some experiments require the introduction of DNA sequences into the mouse genome. These inserted DNA fragments are called “transgenes,” and the mice that carry them are “transgenic.” The most common “transgene” introduced into mice is one that drives the expression of green fluorescent protein, or GFP, from jellyfish. By using a tissue-specific promoter (a regulatory sequence that “promotes” the activity of a gene) to drive GFP production, cells from a specific tissue type can be easily identified by green fluorescence.
Because many genetic changes do not lead to a readily observable phenotype, like GFP expression, mice need to be genotyped to determine which specific animal should be used in experiments. Prior to genotyping, mice should be carefully labeled so that they can be identified again later. No, you’ll need something more permanent than that. One common method is to make notches in the ear, such that the position and number of notches corresponds to an ID number.
Once the mouse is labeled, collect a small piece of tissue (typically 2 — 5 mm of tail, using a razorblade or scissors) from which to extract DNA. If you’re collecting tissue from more than one mouse, mark the used segments of the blade to ensure you won’t use the same part on the next animal, which could lead to cross-contamination in your samples.
To begin the process of separating the genetic material from other components of the tissue, the sample is digested in lysis buffer containing the enzyme proteinase K. After an overnight digestion, the sample is centrifuged to pellet hair and any other undigested material. To isolate DNA from the digested lysate, a simple and effective method is to add alcohol to precipitate nucleic acids. After a brief incubation, the sample is centrifuged again to collect the DNA in a pellet.
After washing with 70% ethanol to remove excess salts, the DNA pellet is resuspended in water or buffer and is ready for genotyping.
There are many strategies to determine whether a specific DNA sequence is present in your mice. Most of them require you to first amplify the genetic region of interest using the polymerase chain reaction, or PCR. For more information on how to set up PCR, please check out the JoVE Science Education “Guide to PCR.”
One method to distinguish genotypes is to detect changes in the size of the PCR-amplified fragment. Let’s say that you’re screening for mice with a genetic insertion of 700 base pairs. After PCR, wildtype bands are 200 base pairs, and transgene bands should be 900 base pairs.
After running your PCR, separate the reaction products on an appropriate percentage agarose gel, so you can distinguish the sizes of your fragments. The wildtype control should only have the 200 base pair wildtype band; the transgenic control should only have the one 900 base pair, transgene band; and the het control should have both bands. Finally, a “no template” control is included to be sure the reagents do not contain any contaminating DNA, and should therefore not generate any bands.
Now that we are confident that the controls worked as expected, let’s check out the unknown mice. Since mice 1 and 2 each have only one, wildtype band, they are homozygous wildtype. Mice 4 and 6 each have only one, transgene band, and are therefore homozygous transgenic.
And mice 3 and 5 each have two bands, and are therefore hets.
Finally, when you go back to find the mice with the genotype you want, you just need to match up the pattern of ear notches with the mouse’s ID number.
After gaining an understanding of what genotyping is and how it’s done, let’s look at some examples of why it’s useful.
In some cases, more complex genetic modifications are required to produce the desired phenotype. For example, to establish this model of skin cancer in mice, two transgenes are required. One carries an inducible “oncogene,” or a gene that can cause cancer, and the second carries the enzyme Cre recombinase, which is only expressed in skin cells and excises a sequence that prevents oncogene transcription, thereby allowing oncogene expression. To produce offspring with both transgenes, mice heterozygous for each are mated. Genotyping is then used to identify the desired offspring.
Sometimes it may not be possible to genotype mice before an experiment. For example, in this study of embryonic heart rate, it is not feasible to collect tissue for genotyping from the embryos without disrupting their behavior. Therefore, the embryo positions within the mother are first carefully labeled, then ultrasound measurements are recorded. Finally, tail biopsies are collected to determine the effect of the genotype on heart rate.
This video has demonstrated one method of DNA extraction, but there are many variations. For example, the Direct PCR system requires less than five minutes of tissue digestion. Additionally, after spinning down undigested material, the supernatant is ready for PCR, eliminating the need for DNA purification.
You’ve just watched JoVE’s guide to genotyping mice. In this video, we’ve reviewed the basics of mouse genetics, how to prepare and analyze mouse DNA samples, as well as some practical applications of this technique. Thanks for watching!
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