Uma Introdução ao Camundongo de Laboratório: Mus musculus

An Introduction to the Laboratory Mouse: <i>Mus musculus</i>

JoVE Science Education
Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick

An Introduction to the Laboratory Mouse: Mus musculus

Next Video

4.3: An Introduction to the Zebrafish: Danio rerio

93,004 Views

•

09:12 min

•

April 30, 2023

Overview

Oscamundongos ( Mus musculus) são uma importante ferramenta de pesquisa para modelar a progressão e o desenvolvimento da doença humana em laboratório. Apesar das diferenças em seu tamanho e aparência, os camundongos compartilham uma semelhança genética distinta com os humanos, e sua capacidade de se reproduzir e amadurecer rapidamente os tornam mamíferos candidatos eficientes e econômicos para estudo científico.

Este vídeo fornece uma breve visão geral dos camundongos, tanto como organismos quanto em termos de suas muitas vantagens como modelos experimentais. A discussão apresenta uma introdução a cepas comuns de ratos de laboratório, incluindo o rato nu, cuja composição genética os torna ambos sem pelos e imunodeficentes. Uma breve história de pesquisa de camundongos também é oferecida, desde seu primeiro uso em experimentos genéticos até descobertas ganhadoras do Prêmio Nobel em imunologia e neurobiologia. Finalmente, exemplos representativos dos diversos tipos de pesquisa que podem ser realizadas em camundongos são apresentados, como testes comportamentais clássicos como o labirinto de água de Morris e investigações aprofundadas do desenvolvimento embrionário dos mamíferos.

Procedure

Os roedores compõem cerca de 90% de todos os animais utilizados na pesquisa, a maioria dos quais são camundongos.

Camundongos são fáceis e baratos de manter, e sua semelhança genética com os humanos, juntamente com seu tempo de baixa geração e alta fertilidade, os tornam candidatos ideais para manipulação genética e estudo.

Este vídeo fornece uma visão geral do mouse como um organismo modelo e discute algumas de suas muitas aplicações em pesquisas biológicas e biomédicas.

O rato comum, Mus musculus,pertence à classe mamífero de vertebrados. Os camundongos são encontrados na maior ordem de mamíferos: a Rodentia, caracterizada por grandes incisivos que crescem continuamente ao longo da vida do animal.

Os camundongos estão entre os menores mamíferos, pesando em média 1 g ao nascer e atingindo seu peso máximo de cerca de 25 a 40 g na idade adulta.

Comparado com outros mamíferos, o ciclo de vida do rato também é relativamente curto. A gestação dura apenas 18 a 21 dias, momento em que os filhotes nascem sem pelos e cegos. Enquanto eles se alimentam do leite de suas mães para as primeiras semanas de vida, os filhotes se desenvolverão em adultos sexualmente maduros por apenas 8 semanas de idade.

Devido à sua capacidade de adaptação a uma variedade de ambientes, ratos podem ser encontrados em todos os continentes, exceto na Antártida. Como espécie commensal, os camundongos vivem frequentemente em estreita associação com os seres humanos; quer gostemos ou não!

Então por que essas criaturas familiares são tão populares na pesquisa?

A capacidade dos camundongos de produzir rapidamente um grande número de descendentes permite a geração rápida e barata de uma colônia de animais para investigação científica. Além disso, o fato de os ratos serem tão pequenos significa que a colônia pode ser alojada em uma quantidade mínima de espaço. O mesmo não pode ser dito para a maioria dos mamíferos.

Apesar de nossas consideráveis diferenças físicas, camundongos e outros mamíferos placentários compartilham uma impressionante semelhança genética com os humanos. O genoma do camundongo foi totalmente sequenciado, o que facilita manipulações genéticas como a geração de ratos “nocaute”, cujos genomas são modificados para substituir um segmento codificando genes específicos com marcadores selecionáveis, eliminando assim esse gene.

Usando camundongos eliminatórios, podemos avaliar a exigência fisiológica de produtos genéticos individuais, como neste experimento, medindo mudanças na frequência cardíaca embrionária causada pela ausência da enzima Furin.

Muitas famílias de estirpes de ratos de raça existem. Como sua uniformidade elimina as variáveis que podem ser introduzidas pela diversidade genética entre camundongos individuais, o uso dessas cepas melhora a reprodutibilidade experimental.

Mas qual tensão você escolherá para o seu experimento? A resposta depende mais do que a cor do seu casaco favorito. Na verdade, você pode até querer um rato sem casaco! A composição genética desta criaturinha, conhecida como o rato nu, leva à falta de cabelo, mas também um sistema imunológico severamente comprometido. Como resultado, os camundongos nus servem como melhores hospedeiros para experimentos in vivo onde o tecido estranho é introduzido, como neste estudo, monitorando o engraftment de células cancerígenas fluorescentes.

Agora que você tem uma compreensão de quão importantes os ratos são para a ciência, vamos falar sobre algumas descobertas emocionantes que os pesquisadores fizeram usando esses animais modelo.

No início do século XX, William E. Castle tornou-se o primeiro cientista a usar camundongos para estudar genética em laboratório. Castle e seus alunos obtiveram muitos de seus assuntos de pesquisa de Abbie Lathrop, um mais chique que vendia ratos como animais de estimação de sua casa próxima. Curiosamente, algumas dessas cepas, como a linha C57BL/6J, ainda são comumente usadas em laboratórios de pesquisa hoje em dia.

No final da década de 1920, Sir Alexander Fleming havia descoberto as propriedades antibióticos da penicilina usando bactérias em uma placa de petri, mas foi apenas quase 10 anos depois que Howard Florey e Ernst Chain confirmaram seu potencial farmacológico curando camundongos infectados com estreptococos hemolíticas.

Em 1945, Fleming, Florey e Chain foram reconhecidos por suas contribuições ganhadoras do Prêmio Nobel para o campo da biomedicina.

Na mesma época em que os antibióticos estavam sendo descobertos, George Snell descreveu pela primeira vez a região cromossômica conhecida como o maior complexo de histocompatibilidade, que codifica receptores que ajudam as células imunes a detectar invasores estrangeiros. Conhecidos como antígenos leucócitos humanos em humanos, variantes específicas desses receptores estão ligadas a doenças autoimunes, onde o tecido hospedeiro é erroneamente identificado como estranho.

Rolf Zinkernagel e Peter Doherty então usaram um sistema modelo de camundongos para determinar que o reconhecimento de antígeno pelas células T do sistema imunológico é responsável pelo início da resposta imune.

Em 1997, Stanley Prusiner recebeu o Prêmio Nobel por identificar prígions – proteínas infecciosas e desdobradas – em camundongos infectados com a doença neurodegenerativa, scrapie.

Os camundongos também foram fundamentais no trabalho realizado por Richard Axel e Linda Buck, que primeiro clonaram a grande família de genes receptores olfativos. Essas proteínas, expressas por neurônios no epitélio olfativo, são ativadas por ligação a odores inalados. Buck e Axel também avançaram significativamente nossa compreensão de como os sinais produzidos por esses receptores são transmitidos através de nossos circuitos neurais. Em 2004, eles foram premiados com o Prêmio Nobel por suas descobertas inovadoras.

Agora que você viu como o trabalho do rato produziu alguns experimentos marcantes historicamente, vamos dar uma olhada em alguns dos tipos de pesquisa que estão acontecendo em camundongos hoje. Para começar, os camundongos são frequentemente usados em pesquisas comportamentais.

Por exemplo, os ratos fazem ótimos modelos para medir o equilíbrio motor. Eles também são usados para estudar como o cérebro registra e lembra memórias, com paradigmas comportamentais como o labirinto de água de Morris. Neste teste de memória espacial, os ratos são treinados para usar pistas visuais para localizar uma plataforma e escapar de uma piscina de água.

Como nossos sistemas imunológicos funcionam da mesma forma, os camundongos também são bons sistemas para estudar doenças infecciosas. Por exemplo, neste experimento, os camundongos consomem pão contaminado com Listeria e, em seguida, vários tecidos são coletados para investigar o mecanismo pelo qual este patógeno transmitido por alimentos se espalha por todo o corpo.

Camundongos também podem ser usados para estudar a progressão da doença viral. Neste estudo, os camundongos são infectados intranasalmente com o vírus herpes, a fim de imitar a exposição fisiológica ao patógeno.

Nossa alta similaridade genética não é apenas importante para investigar doenças humanas; entender o desenvolvimento do rato também pode melhorar nossa compreensão do desenvolvimento humano. Por exemplo, neste estudo, as mandíbulas embrionárias são seccionadas e cultivadas na cultura para melhor visualizar o desenvolvimento precoce dos dentes.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE a Mus musculus. Neste vídeo, discutimos características gerais dos camundongos, por que eles são tão populares no laboratório, descobertas marcantes feitas neste modelo, bem como algumas das maneiras pelas quais os ratos são usados em pesquisas hoje em dia. Como sempre, obrigado por assistir JoVE Science Education!

Transcript

Rodents make up about 90% of all the animals used in research, the majority of which are mice.

Mice are easy and inexpensive to maintain, and their genetic similarity to humans, coupled with their short generation time and high fertility, make them ideal candidates for genetic manipulation and study.

This video provides an overview of the mouse as a model organism and discusses some of its many applications in biological and biomedical research.

The common house mouse, Mus musculus, belongs to the Mammalian class of vertebrates. Mice are found in the largest order of mammals: Rodentia, characterized by large incisors that grow continuously throughout the animal’s life.

Mice are among the smallest mammals, weighing an average of 1 g at birth and reaching their peak weight of about 25 – 40 g in adulthood.

Compared to other mammals, the mouse life cycle is also relatively short. Gestation lasts only 18 – 21 days, at which point the pups are born hairless and blind. While they feed off their mother’s milk for the first few weeks of life, the pups will develop into sexually mature adults by just 8 weeks of age.

Due to their ability to adapt to a variety of environments, mice can be found on every continent except Antarctica. As a commensal species, mice frequently live in close association with humans; whether we like it or not!

So why are these familiar creatures so popular in research?

The ability of mice to quickly produce large numbers of offspring allows the rapid and inexpensive generation of a colony of animals for scientific investigation. Additionally, the fact that mice are so small means that the colony can be housed in a minimum amount of space. The same cannot be said for most mammals.

Despite our considerable physical differences, mice and other placental mammals share a striking genetic similarity to humans. The mouse genome has been fully sequenced, which facilitates genetic manipulations such as the generation of “knockout” mice, whose genomes are modified to replace a segment encoding specific genes with selectable markers, thereby knocking out that gene.

Using knockout mice, we can assess the physiological requirement for individual gene products, as in this experiment measuring changes in embryonic heart rate caused by absence of the enzyme Furin.

Many families of inbred mouse strains exist. Because their uniformity eliminates the variables that may be introduced by genetic diversity among individual mice, the use of these strains improves experimental reproducibility.

But which strain will you choose for your experiment? The answer depends on more than your favorite coat color. In fact, you might even want a mouse with no coat at all! The genetic makeup of this little critter, known as the nude mouse, leads to missing hair, but also a severely compromised immune system. As a result, nude mice serve as better hosts for in vivo experiments where foreign tissue is introduced, as in this study monitoring the engraftment of fluorescent cancer cells.

Now that you have an understanding of just how important mice are to science, let’s talk about some exciting discoveries researchers have made using these model animals.

In the early 20th century, William E. Castle became the first scientist to use mice to study genetics in the lab. Castle and his students obtained many of their research subjects from Abbie Lathrop, a fancier who sold mice as pets from her nearby home. Interestingly, some of these strains, such as the C57BL/6J line, are still commonly used in research labs today.

In the late 1920s, Sir Alexander Fleming had discovered the antibiotic properties of penicillin using bacteria in a petri dish, but it wasn’t until almost 10 years later that Howard Florey and Ernst Chain confirmed its pharmacological potential by healing mice infected with hemolytic streptococci.

In 1945, Fleming, Florey, and Chain were recognized for their Nobel prize-winning contributions to the field of biomedicine.

Around the same time antibiotics were being discovered, George Snell first described the a chromosomal region known as the major histocompatibility complex, which encodes receptors that help immune cells detect foreign invaders. Known as human leukocyte antigens in humans, specific variants of these receptors are linked to autoimmune disorders, where host tissue is mistakenly identified as foreign.

Rolf Zinkernagel and Peter Doherty then used a mouse model system to determine that antigen recognition by the immune system’s T cells is responsible for the initiation of the immune response.

In 1997, Stanley Prusiner was awarded the Nobel prize for identifying prions — misfolded, infectious proteins — in mice infected with the neurodegenerative disease, scrapie.

Mice were also instrumental in the work performed by Richard Axel and Linda Buck, who first cloned the large family of olfactory receptor genes. These proteins, expressed by neurons in the olfactory epithelium, are activated by binding to inhaled odorants. Buck and Axel also significantly advanced our understanding of how the signals produced by these receptors are transmitted through our neural circuitry. In 2004, they were awarded the Nobel prize for their groundbreaking discoveries.

Now that you’ve seen how mouse work has produced some landmark experiments historically, let’s take a look at some of the types of research going on in mice today. To begin, mice are frequently used in behavioral research.

For example, mice make great models for measuring motor balance. They are also used to study how the brain records and recalls memories, with behavioral paradigms such as the Morris water maze. In this test of spatial memory, mice are trained to use visual cues to locate a platform and escape from a pool of water.

Because our immune systems function similarly, mice are also good systems for studying infectious disease. For example, in this experiment, mice consume bread contaminated with Listeria and then various tissues are collected to investigate the mechanism by which this food-borne pathogen spreads throughout the body.

Mice can be used to study viral disease progression as well. In this study, mice are infected intranasally with herpes virus in order to mimic physiological exposure to the pathogen.

Our high genetic similarity is not just important for investigating human disease; understanding mouse development can also improve our understanding of human development. For example, in this study, embryonic jaws are sectioned and grown in culture to better visualize early tooth development.

You just watched JoVE’s introduction to Mus musculus. In this video, we discussed general characteristics of mice, why they are so popular in the lab, landmark discoveries made in this model, as well as a few of the ways in which mice are used in research today. As always, thanks for watching JoVE Science Education!