Отдельные мутации ДНК в зародышевой линии может привести к снижению репродуктивного успеха и, если в наследство, может вызвать генетические заболевания или повышенное предрасположенности к раку у потомства 1-3. Имеются веские доказательства показывает, что большая часть De Novo мутаций наследуются от отцовской зародышевой линии 4, и что число мутаций у потомства положительно коррелирует с отцовской возраст на момент зачатия 5. Чем выше доля мужчин мутаций, как полагают, является результатом различий в возрасте во время гаметогенеза между полами, тем больше количество клеточных делений сперматогенных по сравнению с числом делений клеток oogenic в женской зародышевой линии 2, и прогрессирующее снижение ДНК ремонт эффективность с возрастом у мужчин. Все эти факторы способствуют увеличению вероятности ошибок репликации в мужской зародышевой линии 6. Тем не менее, влияние отцовской воздействия Environmental факторов на частоте De Novo мутаций остается неопределенным. Тем не менее, большое количество агентов окружающей среды, как известно, вызывают зародышевых клеток мутации у грызунов 7, и появляется все больше доказательств того, что некоторые из этих агентов также может влиять на человеческое зародышевой линии 8. Несмотря на эти проблемы, испытания химических веществ в плановом порядке для их способности индуцировать мутации в соматических клетках для целей регулирования и она, как предполагается, что соматические тесты достаточно для защиты зародышевой линии. Поэтому, химические вещества редко оценены по их способности индуцировать зародышевых клеток мутации.
Одна из причин зародышевых клеток мутагенность испытания в значительной степени исключены из процесса регулирования принятия решений является отсутствие практических методик. Традиционные методы грызунов основе, такие как доминантных летальных 9 и конкретных локус 10 тестов, оценить частота мутаций зародышевых клеток, забив мутантные фенотипы в эмбрионах или потомковоблученных родителей. Эти анализы требуют использования очень большого числа животных, времени и ресурсов, чтобы приобрести статистически значимые результаты.
Хотя несколько современных методов количественной мутации зародышевой клетке недавно появились, многие страдают недостатки с точки зрения их практичности, эффективности и биологической значимости. Например, повторить длины мутации в расширенном просто тандемного повтора (ПЭБТ) локусов может быть определена количественно в мужских половых клеток с использованием одной молекулы ПЦР подход 15. Тем не менее, выполнение этого метода может быть технически сложным и трудоемким, и в отличие от точечных мутаций, биологическая и здоровье значимость изменений в длине повторение того крайне нестабильной ПЭБТ локусов остаются неясными 16. Современные целые технологии секвенирования генома может обеспечить богатство биологически значимую данных при применении к проблеме наследственных мутаций 4,17, но высокая стоимость, высокие коэффициенты ошибок, требуется связано проверкидля подтверждения мутации, и биоинформатики проблемы по-прежнему ограничивают рутинную применение этой опции в регулирующего потенциала тестирования 18.
В данном случае мы описываем практичный способ количественного определения индуцированных мутаций непосредственно в половых клетках трансгенных мышей-самцов. Этот протокол описан для трансгенной модели MutaMouse, который имеет несколько сцепленных копий рекомбинантной λgt10 фага вектора, содержащего ген-репортер кишечная палочка LacZ интегрированный в обеих копиях хромосоме 3 19 (рисунок 1).
Этот протокол является также актуальны для других трансгенных грызунов (ТТГ) моделей, основанных на тех же принципах (BigBlue мышей и крыс, или LacZ плазмиды мыши, и т.д..) Или слегка различных генов-репортеров (GPT дельта мыши и крысы, модели TGR отзывы в Lambert др Al. 20). Этот метод основан на анализе мутации TGR, описанной в недавно опубликованноми пересмотренный руководящий принцип ОЭСР 21 и мы разрабатываем на специальных соображений, необходимых для размещения оценку мутаций в мужской зародышевой линии из уникальных характеристик сперматогенеза. Вкратце, анализ включает подвергая трансгенных мышей мужского пола в мутагенного вещества с последующим временем выборки, где предварительно мутационные повреждения фиксируются в стабильные мутаций. При выбранной времени выборки, мышей подвергали эвтаназии и зародышевые клетки собираются либо из конского придатка или семенных канальцев. Как обсуждается ниже, мутагенных эффектов на различных этапах сперматогенеза может быть определен путем выбора времени между воздействием и отбора проб. Трансгенные вставки, содержащие несколько копий λ генома фага на клетку, изолированы от зародышевых клеток геномной ДНК и упакованы в пустые λ-фага капсид, создающих инфекционные частицы λ фагов, которые затем используются для заразить E. палочка хозяин. Инфицированные бактерии выращивают на выбраннтивные СМИ, что можно выделить клетки, содержащие вектор с мутантным копии LacZ из клеток, несущих дикого типа LacZ. Мутагенный эффект воздействия на мужской зародышевой линии определяется путем сравнения частоты мутантных трансгенов между контрольных и обработанных мышей (рисунок 2, рассмотренных в Lambert и соавт. 20). Большое количество зародышевых клеток можно анализировать с одной мыши, что дает этот анализ высокую чувствительность по сравнению с традиционными методами, в то время как уменьшение количества животных, необходимых. И потому, что не требуется специальное оборудование или обучение, этот анализ представляет собой практическое и эффективное решение для тестирования зародышевых клеток мутации в большинстве современных токсикологии / молекулярных лабораторий биологии.
Одним из важнейших условий эффективного применения TGR мутации половых клеток анализа является понимание сперматогенного цикла (рисунок 3). Время для зародышевых клеток мыши, чтобы прогрессировать от улэм клетки в семенных канальцах в сперматогенов, сперматоцитах, сперматидах, и, наконец, чтобы созреть сперму в придатке яичка (т.е.. сперматогенез) составляет примерно 49 дней. Мутация может произойти в различных фазах этого цикла и часто соединение конкретных. Двумя основными характеристиками, которые имеют особое значение для мутагенеза в мужских половых клетках являются прекращение синтеза ДНК в начале мейоза, и прогрессирующая потеря репарации ДНК мощностью 6 в конце пост-мейоза, два процесса, которые необходимы для индукции и фиксации большинство мутаций.
Из этих уникальных характеристик сперматогенеза, есть три критических экспериментальные переменные для проведения TGR мутации половых клеток анализа: (1) времени администрация соединение испытание; (2) время выборки; и (3) Выбор зародышевых клеток населения собрать для анализа (рисунок 3 и в таблице 1). Время Администрация experimental переменная, которая определяет, как долго клетки-мишени подвергаются испытуемых соединений. Длина времени введения также могут быть использованы для целевой воздействия на специфические типы клеток или фаз сперматогенеза. Например, однократное введение день может быть использован для определения влияния острого воздействия на одном конкретном типе клеток. Точно так же, экспозиция может быть сосредоточено до целой сперматогенного фазе, например, таргетинг только мейотически разделительные сперматоциты или митотически деления сперматогоний использованием 2-недельный время администрирования и соответствующий времени выборки. Хронические и субхроническом раз администрирования используются для оценки последствий долгосрочного воздействия, чтобы обеспечить достаточное распределение фармакокинетический тестируемого соединения, или разрешать достаточное накопление мутаций от слабых мутагенов (например 28 день время администрация рекомендованный в тесте ОЭСР руководство).
Время выборки является критической переменной для определения, на которомфаза сперматогенеза клетки-мишени были в то время облучения. Время выборки определяет, как много времени, и, следовательно, насколько дальше по сперматогенного цикла, клетки проходят через после воздействия. Например, изучать эффекты, в стволовых клеток сперматогенов время выборки> 49 дней требуется, если сбор вполне назрел сперму, или> 42 дней, если сбор незрелых половых клеток из семенных канальцев, чтобы гарантировать, что все собранные клетки имели достаточно времени, чтобы развиваются из подвергается стебли клетки. Важно отметить, что время выборки, по меньшей мере, 70 дней было бы предпочтительно, чтобы продемонстрировать истинную эффект стволовых клеток, чтобы обеспечить достаточное время для распространения фармакокинетического в токсиканта, для устранения клеток, подвергнутых на более поздних этапах сперматогенеза, и для учета Период временного бесплодия, которые могут возникнуть ~ 6 недель после контакта с высокой мутагенных соединений 22. Аналогично, время выборки из 21 дней будет гарантировать, что спермы КоллеИДКТК из конского придатка бы только что завершили мейоза в последний день экспозиции.
Половые клетки могут быть собраны в зрелой спермы из конского придатка, или в виде смеси различных типов клеток сперматогенеза из семенных канальцах. Зрелые сперматозоиды остаются в конского для ~ 3 дней, что дает возможность определить с относительной точностью типа клеток или фазы сперматогенеза, из которых возник спермы для любого данного эксперимента. Таким образом, анализ разрешений спермы конского весьма целенаправленные исследования стадии конкретных мутаций эффектов. С другой стороны, клеточные суспензии, полученные из семенных канальцах содержать смесь различных типов зародышевых клеток в различных стадиях развития, и, таким образом, предлагает хуже разрешение сперматогенеза фазы, в которой возникла мутации. Кроме того, клеточные суспензии, выделенные из семенных канальцев, как правило, содержат по-представление сперматидах, а затем сперматоцитах и верУ некоторых сперматогенов и стволовых клеток (эти пропорции представлены закончили белых полос на рисунке 3). Кроме того, суспензии, приготовленные из семенных канальцах может также содержать различные соматические клетки. Таким образом, потому, что так много типов клетки присутствуют, мутационные эффекты могут зависеть от различных нецелевых клеток. Однако, собирая образцы из семенных канальцев предлагает экономичное решение для одновременно скрининга нескольких типов зародышевых клеток и легкую интеграцию анализа зародышевых клеток в стандартный протокол испытания ОЭСР соматической мутации.
Повторим, в зависимости от потребностей исследователя, времени введения, времени выборки и собранной клеточной популяции можно регулировать, чтобы опросить эффекты воздействия в различных типах клеток и на разных этапах сперматогенеза. Тщательно выбирая эти переменные, эксперименты могут быть разработаны для целевых механистических исследований, или для более обобщенного нормативного тестаЦЕЛЕЙ.
Для достижения мастерства в анализе, мы рекомендуем использовать острого перорального введения 100 мг / кг N-этил-N-нитрозомочевины (ЕНУ), за которым следует 70-дневного времени выборки в качестве положительного контроля. Анализ конского спермы, таким образом, нацелен сперматогониальные стволовые клетки (рисунок 3), которые обычно имеют 4-5 кратное увеличение мутант частоты (СЧ) по сравнению с контрольными следующую этом высоко мутагенного дозе ЕНУ. Следует отметить, что эта доза, как известно, вызывают стерильность 6 недель после облучения, таким образом, оно не может быть подходящая доза управления для сокращения времени отбора проб. Эта доза будет также получения выявляемой увеличение MF в большинстве соматических тканях 20. Представительные результаты, представленные ниже, были генерируется После острой +70 режима воздействия, используя три дозы ЕНУ вплоть до 100 мг / кг.