撰文丨亦

在生命科學研究中，實驗室小鼠無疑是居功至偉的“首席功臣”。自1901年設立諾貝爾生理學或醫學獎以來，多達232 位得主中的絕大多數人都借助了動物模型——尤其是實驗室小鼠，完成了他們改寫人類醫學歷史的突破性發現。然而，你悉心繁育、耗費數年心血研究的“高純度”近交系小鼠，它名字里的“遺傳背景”，真的和它體內的基因組對得上嗎？

近期，北卡羅來納大學教堂山分校遺傳學系Fernando Pardo-Manuel de Villena團隊在Science上發表了題為Improve genetic quality control to increase rigor and reproducibility of mouse research的文章，披露了一組令人震驚的數據：在一項針對數百個權威突變小鼠品系的遺傳“大篩查”中，竟然有高達一半的樣本存在實際基因型與報告名稱不符的現象。因此，文章通過使用最新技術的遺傳質量控制（genetic quality control，GQC）流程，來解決小鼠研究中命名與基因型不一致的問題，從而提高小鼠研究的科學嚴謹性和可重復性。

為什么小鼠的名字如此重要？在小鼠的標準命名規則中，一個標準的品系名稱不僅要包含人們感興趣的突變等位基因，還必須按順序詳細標注它的遺傳背景、背景的復雜程度，以及先后繁育、持有該品系的實驗室或機構。由于實驗室小鼠的工程化allele（等位基因）和 strain genetic background（品系遺傳背景）共同決定了最終展現出來的表型，因此嚴格的GQC是實驗能夠被他人重復的絕對基石。

那么為什么如此大比例的小鼠名稱都存在錯誤呢？這些錯誤又是如何被發現的呢？作為全球頂尖的資源庫，美國突變小鼠資源與研究中心（MMRRC）自 1999 年接受美國國立衛生研究院（NIH）委托以來，一直承擔著為全球科學家保存和分發珍貴突變小鼠品系的重任。但長期以來，MMRRC 的質量控制重心主要集中在“目標突變基因”本身對不對，而對于小鼠繁復的“遺傳背景”，則完全依賴于提交者（科研人員）自行提供的信息。隨著近年來生物醫學界對“科研可重復性”的呼聲日益高漲，越來越多的證據表明，許多小鼠品系的遺傳背景描述存在嚴重的不準確或前后不一致。更糟糕的是，現行的國際小鼠標準命名規則并不能完美地反映小鼠基因組內部復雜的細微差別。

為檢驗現行數據的真實情況，研究團隊動用了2020年發布的實驗室小鼠高分型利器——MiniMUGA（Mouse Universal Genotyping Array）。在經歷了全方位的標記注釋更新和參考近交系數據集擴大后，MiniMUGA已成為MMRRC官方認可的品系 GQC重要工具。團隊對來自 MMRRC 各個中心維持的 341個品系、共計 611個小鼠樣本 進行了 MiniMUGA 基因分型芯片的大篩查。發現遺傳背景不一致現象極其普遍，大量基因型與原始名稱比對存在差異的情況，包括亞系不一致、品系類別不一致、主要構建體不一致和品系水平不一致等，且單個樣本可能同時存在多種不一致的情況。其中，還有些十分致命的錯誤：1）“早期同源導入系”：在379個理應命名為標準“同源導入系”的樣本中（代表211個品系），高達 71% 的樣本在多條染色體上都發現了供體品系的基因貢獻；2）遺傳不穩定性：這批樣本中，有 75% 的樣本在芯片分辨率下，品系基因組不具備完全的可重現性。這批樣本中，能同時滿足‘同源導入’（背景純凈）和‘近交固定’（遺傳穩定）兩項基本理論預期的樣本僅占20%。這就解釋了為什么很多時候，A實驗室做出一個表型，B實驗室嚴格買了一樣名字的小鼠，卻怎么也重復不出來——因為你們買的小鼠，體內還殘留著大片未被純化的供體染色體。更危險的是，9%的主要構建體不一致中，常常包含意外游離、處于分離狀態的Cre重組酶、Flipase（重組酶）以及紅/綠熒光蛋白（RFP/GFP）等強效構建體，這會影響整個實驗設計的科學嚴謹性。

（報告名稱與 MiniMUGA 基因分型之間不一致的類型和頻率）

針對以上問題，研究團隊給出了一套行之有效的開源解決方案：設計了一套全新的MMRRC品系GQC工作流。作者并不主張對實驗中使用的每一只小鼠都進行基因分型，而是倡導建立一套標準協議，確保繁育小鼠的種群和實驗隊列能夠接受常規的、周期性的“遺傳體檢”。這套流程首先利用MiniMUGA芯片計算出基因組中發生分離的比例，隨后結合已知的高密度芯片基準數據集，間接估算出品系內實際存在的分離SNP數量（因為表型的改變往往與分離的 SNPs 數量最強烈相關），并最終生成一份包含RRID、背景追溯以及帶有基因組染色體示意圖的非專業人士友好型報告（Strain GQC Report）。目前，已有超過120個在線品系配備了這一新版報告，并正優先覆蓋那些活體保存和高頻被申購的明星品系。通過這套流程，大型學術機構能夠精準發現繁育過程中的人為錯誤、基因突變或變異的分離固定，從而及時終止錯誤的繁育分支并優化繁育方案。這對國家公共財政資金和極其寶貴的科研資源的明智管理具有不可估量的經濟價值。

（Strain GQC工作流示意圖）

綜上所述，本研究為每一位在生化環材和醫藥領域挑燈夜戰的科研人員敲響了一記警鐘：在懷疑自己的試劑、抗體、組學數據之前，不妨先用現代化的分析工具，給實驗室的小鼠們做一次徹徹底底的基因體檢。同時也呼吁包括供應商、分發資源庫、學術繁育中心在內的所有利益相關者行動起來，需要注意的是，目前該質控管線中的共識基因型對照株主要來自美歐供應商，雖然品系庫正在不斷擴大，但外部研究者（如亞洲/中國地區）在復制或使用該管線時需注意本地特有品系或供應商的兼容性。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec3177

制版人： 十一

學術合作組織

（*排名不分先后）

戰略合作伙伴

（*排名不分先后）

轉載須知

【原創文章】BioArt原創文章，歡迎個人轉發分享，未經允許禁止轉載，所刊登的所有作品的著作權均為BioArt所擁有。BioArt保留所有法定權利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

點擊主頁推薦活動

關注更多最新活動！