实验室小鼠的发育与繁殖

Biology II

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Summary

成功育种实验室小鼠(小家鼠)对于建立和保持一个有用的动物克隆非常重要。此外,小鼠的胚胎经常被用来研究回答关于发育过程方面的问题。目前有许多不同的遗传工具可用来调节小鼠胚胎期和产后发育期的基因表达,它们能帮助研究人员更深入地了解影响人类发育的遗传疾病。

本短片介绍了小鼠的生殖和发育。除了解释用于描述发育进程的术语,还讲述了小鼠生命周期中的重要阶段。首先讲了发生在子宫内的主要发育事件,着重提到了啮齿动物早期胚胎的独特布局。接下来,给出了饲养出生后小鼠,或称幼崽的操作过程,包括断奶,也就是将它们从妈妈的笼子分出来的过程。由于这个时候必须将雄鼠和雌鼠分开,避免计划外的交配,视频中还将说明如何分辨小鼠的性别。接下来会指导如何控制小鼠的交配,包括检查交配栓,它对于准确估算胚胎发育时间非常有用。最后,本短片会特别讲解研究调控小鼠发育复杂过程的一些方法,包括培育被遗传修饰过的基因敲除小鼠。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 模式生物II:小鼠,斑马鱼和鸡. 实验室小鼠的发育与繁殖. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

小鼠是极具价值的模式生物,可帮我们更深了解人类发育与疾病。和其他哺乳动物相比,小鼠的繁殖能力强且发育快,因此其克隆可以得到迅速扩增。

子宫内的发育需要一些特殊的胚胎结构,因此对哺乳动物胚胎学的研究与人类更为相关。本短片中,我们将讨论小鼠繁殖和发育的阶段,如何培育小鼠,和在实验室运用小鼠繁殖和发育知识的途径。

让我们先来简单讲讲小鼠的繁殖。和人类一样,早期小鼠的发育在体内进行,受孕发生在妈妈,也称母体的子宫角内。然而,和我们多数人不同,小鼠一次能产多个胎儿,平均一次妊娠可生产10-12只幼崽。

在详细讨论这些幼崽的发育之前,让我们先温习一下定义发育阶段的术语。最常用的定义阶段的系统是从成功交配的那天开始,称为胚期第0天, 或称E0。之后一直到出生前,每个阶段都用受精后的天数来定义,出生后则数字又从产后第0天, P0开始重新计数。

即使是一窝中的不同胚胎,发育时间也会略有不同,因此也可不用受精后时间,而根据形态来定义,如泰勒期的定义方法。

接下来,让我们仔细看看小鼠发育的前几个星期中其形态的变化。

卵子受精后,胚胎缓慢地开始了其生命周期,在前三天会仅发生4轮细胞分裂。但到E4期时,这些细胞会增殖并重新组合成一个紧密的空心细胞球,也就是囊胚。在这个阶段,所有将最终发育成胚胎本身的细胞都在一团干细胞里,它被称为囊胚内细胞团ICM。其余的细胞,也就是滋养层细胞,会成为胎盘的一部分,为胚胎提供氧气和营养。

这个阶段之后,啮齿动物的发育有些不一样。大多数的哺乳动物中,将发育成胚胎的细胞会形成一个类似盘状的结构。而小鼠的胚胎则是含有一个杯状的构造。在这个杯子外围的细胞会形成叫做内胚层的一个细胞层,它们最终会生成内部的组织,如消化道的上皮。让人费解的是,处于杯子的内表面的细胞会是外胚层,将形成更表面的组织,如毛发和皮肤。

这种反转过来的布局会一直持续到胚期第8天,这时,胚胎会真的是自己翻转过来。到这个阶段时,已经有几个其他可辨认的结构发育形成了,如体节,它会产生骨骼肌肉等组织,还有肢芽,它将形成前肢和后肢。

之后的发展会非常快,等到胚期第12天,主要的器官系统,如肺和消化道都将发育成形。受孕后仅19-21天的胚胎就能出奇地在母体外存活下来。

现在您对子宫内的发育过程有了一定认识,让我们再来谈谈小鼠出生后的事情。新生的小鼠,或叫幼崽,非常小,无毛并且没有视觉。

生下后的前几周,幼崽可以接受来自任何哺乳期母体的母乳。大约三周后,它们就可断奶,也就是将它们和妈妈分开放到自己单独的笼子里。

为了控制将来的交配,您需要在这时将雄鼠和雌鼠分开。可以通过观察肛门和外生殖器之间的距离来判断性别。雌鼠的这个距离要比雄鼠的短。

为准备幼崽的新家,先在笼子里铺上一层覆盖物。由于它们还在适应新食物的过程当中,除了提供饮水,还要在笼子底部放上一些用水泡软的食物块或一盘湿的食物。

断奶几周后,小鼠就发育性成熟了,它们的交配高峰期通常是在2-9个月大时。

那么,我们如何利用这些知识来开始育种克隆呢?首先,要记住生物节律对小鼠的行为有很大影响,这点很重要。由于它们是夜行动物,因此您的小鼠们会在晚上进行交配。

信息素也对小鼠行为起很大作用,因此将可能进行交配的雄鼠放进笼子里,让它们彼此认识对方会很有帮助。为了在交配期间得到最多数目的幼崽,可以将一只雄鼠与最多4只雌鼠交配。

为了准确知道胚胎发育时间,第二天早晨就要检查每个雌鼠的阴道粘液栓,它是雄鼠在交配时留下的。小鼠每隔4-5天排卵一次,因此如果您当时没有看到阴道粘液栓,可以在那一周的晚些时候再将小鼠放一起,使再次有机会受精。一旦您确认了某些雌鼠受孕后,将雄鼠从笼子里取出,因为它们可能会对伤害到新生的幼崽。

为了研究调节哺乳动物胚胎发育的复杂过程,科学家们建立了一些非常棒的技术。让我们来看一下其中某些例子。

首先,命运绘图是一种在体内对细胞进行标记和追踪的手段,它可以用来确定这些细胞是如何成为发育中小鼠和成年小鼠组织中的特定结构。

这里,一小部分的细胞表达了一种荧光蛋白,来追踪表达这些蛋白的细胞在胎儿和成年鼠的脑组织中的分布。

为了检测某特定基因在发育中的作用,研究过度表达该基因所造成的影响非常有用。通过一种叫子宫内电穿孔技术,先用显微注射将DNA注射到胚胎,然后在组织间施加电流来将DNA导入到细胞内。这样可以在特定细胞中引入基因表达,如这里演示的在该胚胎的中枢神经系统表达红色荧光蛋白。

要得到更稳定的基因表达变化,可使用基因敲除小鼠,其中基因的一个部分被除去了。为得到这些小鼠,先从早期胚胎中分离得到干细胞用于基因组修饰。修饰过的细胞被移植到一个囊胚中,然后植入到雌鼠中进行孕育。产生的幼崽会是杂合体,同时含有正常和基因敲除的细胞,可将它们交配来得到纯合的基因敲除小鼠。

您刚观看的是JoVE关于小鼠繁殖和发育的综述。本短片中,我们讲解了小鼠的繁殖,出生前和出生后的发育,以及如何进行小鼠交配。我们还讨论了在实验室中研究小鼠发育的一些振奋人心的例子。感谢观看!

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