Rozwój i rozród myszy laboratoryjnej

Myszy są niezwykle cennymi organizmami modelowymi, które pozwalają na ciągłe pogłębianie naszej wiedzy na temat rozwoju i chorób człowieka. Wśród ssaków myszy charakteryzują się wysoką płodnością i szybkim rozwojem, co oznacza, że kolonie mogą być szybko powiększane.

Ponieważ rozwój wewnątrzmaciczny wymaga określonych wyspecjalizowanych struktur embrionalnych, badanie embriogenezy na modelu ssaka jest również bardziej relewantne w odniesieniu do ludzi. W tym filmie omówimy etapy rozrodu i rozwoju myszy, sposób prowadzenia hodowli oraz metody wykorzystania wiedzy o rozrodzie i rozwoju myszy w warunkach laboratoryjnych.

Najpierw omówmy krótko rozmnażanie myszy. Podobnie jak u ludzi, wczesny rozwój myszy odbywa się wewnętrznie, a ciąża przebiega w rogach macicy samicy, nazywanej „matką”. Jednak w przeciwieństwie do większości z nas, myszy noszą wiele płodów jednocześnie, dając średnio miot liczący 10 - 12 młodych w jednym okresie ciążowym.

Zanim przejdziemy do szczegółowego omówienia rozwoju tych młodych, przejrzyjmy terminy używane do określania etapów rozwojowych. Najbardziej powszechny system określania stadiów rozpoczyna się w dniu embrionalnym zero, czyli E0, w dniu udanego kopulowania. Następnie każdy etap definiuje liczba dni od zapłodnienia, aż do dnia narodzin, kiedy numeracja restartuje się w dniu postnatalnym zero, czyli P0.

Ponieważ czas rozwoju może się nieznacznie różnić nawet między embrionami z jednego miotu, można stosować alternatywne podejścia oparte na morfologii, a nie na czasie od zapłodnienia, takie jak stadia Theilera.

Następnie przyjrzyjmy się bliżej zmianom morfologicznym, które zachodzą podczas pierwszych kilku tygodni rozwoju myszy.

Po zapłodnieniu oocytu embrion rozpoczyna swój rozwój powoli, przechodząc jedynie 4 cykle podziałów komórkowych w ciągu pierwszych 3 dni. Jednak do 4. dnia rozwoju (E4) komórki te namnożą się i zreorganizują, tworząc zwarty, pusty w środku kulek komórek znany jako „blastocysta”. Na tym etapie komórki, z których ostatecznie powstanie sam embrion, znajdują się w skupisku komórek macierzystych zwanym wewnętrzną masą komórkową (ICM). Pozostałe komórki, zwane trofoblastem, staną się częścią łożyska, które dostarcza embrionowi tlenu i substancji odżywczych.

W tym punkcie rozwój gryzoni staje się nieco bardziej złożony. U większości ssaków komórki, z których powstaje embrion, tworzą strukturę przypominającą tarczę. W przeciwieństwie do nich, embrion myszy ma konfigurację w kształcie puchara. Komórki znajdujące się na zewnętrznej stronie tego puchara tworzą warstwę komórkową zwaną endodermą, z której w późniejszym czasie powstają tkanki głębokie, takie jak wyściółka przewodu pokarmowego. Co może być mylące, komórki na wewnętrznej powierzchni puchara stanowią ektodermę, która tworzy tkanki bardziej powierzchowne, takie jak włosy i skóra.

Ten odwrócony układ utrzymuje się do około 8. dnia embrionalnego, kiedy to embrion w dosłownym znaczeniu obraca się wokół własnej osi. Do tego czasu rozwinęło się kilka innych rozpoznawalnych struktur, w tym somity, z których powstają tkanki takie jak mięśnie szkieletowe, oraz pączki kończyn, z których uformują się kończyny przednie i tylne.

Od tego momentu procesy postępują dość szybko; do 12. dnia embrionalnego rozwój głównych układów narządowych, takich jak płuca i przewód pokarmowy, jest już w zaawansowanej fazie. Co zdumiewające, zarodki są zdolne do przeżycia poza organizmem matki już po 19–21 dniach okresu inkubacji.

Po zapoznaniu się z przebiegiem rozwoju płodowego, omówmy to, co dzieje się po narodzinach myszy. Noworodki, czyli młode myszy, są bardzo małe, bezwłose i ślepe.

Przez pierwsze kilka tygodni życia młode mogą być karmione przez każdą dostępną samicę w okresie laktacji. Następnie, około trzech tygodni po urodzeniu, są gotowe do odsadzenia, co oznacza, że nadszedł czas na opuszczenie gniazda matki i przeniesienie do własnej klatki!

Aby kontrolować przyszły rozród, na tym etapie należy rozdzielić samce od samic. W celu określenia płci należy zbadać odległość między odbytem a narządami płciowymi zewnętrznymi. U samic odległość ta jest krótsza niż u samców.

Aby przygotować nowe miejsce dla młodych, należy wyłożyć klatkę warstwą ściółki. Ponieważ zwierzęta wciąż przyzwyczajają się do nowych warunków, oprócz zapewnienia wody, na dnie klatki należy umieścić namoczone w wodzie granulat paszowe lub miseczkę z mokrą karmą.

Myszy osiągają dojrzałość płciową w ciągu kilku tygodni od odsadzenia, a szczyt ich rozrodu przypada zazwyczaj na okres między 2. a 9. miesiącem życia.

W jaki zatem sposób wykorzystać te informacje do założenia kolonii hodowlanej? Po pierwsze, należy pamiętać, że na zachowanie myszy znaczący wpływ ma ich rytm okołodobowy; ponieważ są one nocne, myszy będą się rozmnażać w nocy.

Feromony również odgrywają istotną rolę w zachowaniu myszy, dlatego pomocne jest „zapoznanie” potencjalnych partnerów, aby mogli się nawzajem poznać. Aby zmaksymalizować liczbę młodych urodzonych w cyklu rozrodczym, należy połączyć jednego samca z maksymalnie 4 samicami.

W celu precyzyjnego określenia czasu rozwoju zarodków, należy rano sprawdzić u każdej samicy obecność czopu śluzowego w pochwie, który jest pozostawiany przez samca podczas kopulacji. Myszy owulują co 4-5 dni, więc jeśli czop nie jest widoczny od razu, należy pozostawić myszy razem, aby dać im kolejną szansę w dalszej części tygodnia. Po stwierdzeniu ciąży u niektórych samic, należy usunąć samca z klatki, ponieważ może on stanowić zagrożenie dla nowonarodzonych młodych.

Aby badać złożone procesy kontrolujące rozwój embrionów ssaków, naukowcy opracowali kilka bardzo interesujących technik. Przyjrzyjmy się niektórym przykładom.

Na początek, mapowanie losów komórek (fate mapping) to podejście, w którym komórki są znakowane i śledzone in vivo w celu ustalenia, w jaki sposób przyczyniają się one do powstania konkretnych struktur w rozwijających się tkankach oraz w tkankach dorosłych.

W tym przypadku ekspresja białka fluorescencyjnego zostaje aktywowana w niewielkiej populacji komórek, aby śledzić wkład komórek wykazujących ekspresję tego białka w tkankę mózgu płodu oraz osobnika dorosłego.

W celu zbadania roli konkretnego genu w rozwoju pomocne jest przeanalizowanie efektów jego nadekspresji. W technice zwanej elektroporacją in utero DNA jest dostarczane do embrionu za pomocą mikroiniekcji, a następnie wprowadzane do komórek poprzez przyłożenie prądu elektrycznego do tkanki. Wynikiem jest indukcja ekspresji genu w określonych komórkach, co obrazuje ekspresja czerwonego białka fluorescencyjnego w ośrodkowym układzie nerwowym tego embrionu.

Bardziej trwałe zmiany w ekspresji genów uzyskuje się w formie myszy z nokautem (knockout mice), w których usunięta zostaje część genu. Aby uzyskać takie myszy, z wczesnych embrionów izoluje się komórki macierzyste, które następnie poddaje się modyfikacji genomu. Zmodyfikowane komórki są przeszczepiane do blastocysty, która następnie zostaje zaimplantowana samicy w celu inkubacji. Powstały młody osobnik będzie „chimerą” składającą się zarówno z komórek prawidłowych, jak i z komórek z nokautem, i może być wykorzystany w hodowli do uzyskania homozygotycznych myszy z nokautem.

Właśnie obejrzeli Państwo przegląd reprodukcji i rozwoju myszy przygotowany przez JoVE. W tym filmie omówiliśmy reprodukcję myszy, rozwój prenatalny i postnatalny oraz zasady hodowli myszy. Przeanalizowaliśmy również niektóre interesujące zastosowania badania rozwoju myszy w laboratorium. Dziękujemy za uwagę!