aalas lat chapter 4 genetics and breeding...

47
Chapter 4 Genetics and Breeding Carrie Freed, MLAS, DVM, DACLAM [email protected]

Upload: dinhxuyen

Post on 10-Apr-2019

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Chapter 4 ‐ Genetics and BreedingCarrie Freed, MLAS, DVM, DACLAM

[email protected]

What is the fundamental physical unit of heredity?

GENEBACKBONE

Base Pairs

Heredity Characteristics are determined by elementary units call genes Carried on chromosomes Found in cell nuclei (image) composed of DNA (deoxyribonucleic acid)

Pass from generation to generation in a predicable manner Asexual reproduction (lower –bacteria) Sexual reproduction (higher)

Central Dogma

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Central Dogma of Molecular Biochemistry with Enzymes.jpg

WITHIN THE CELL NUCLEUS

OUT IN THE CELL CYTOPLASMA

Think of the locus as the address, the gene as the house at that address, the allele would be the type of house (A frame, ranch, two‐story)

FROM MOM

FROM DAD

LOCUS

Allele A

Allele B

Pair of Chromosomes

Genes vs. Alleles

FVBFVB

C57BL/6 C3H

DBA

The gene for coat color has many different alleles that can be expressed

Dominance/Recessive

Gene Expression A number of different genes affect coat color Agouti  ‐ A  (black at the base and yellow at the tip)

a – solid color hair Black – B

b ‐ brown Albino – cc (prevents expression of color)

CC or Cc – color determined by other genes Partial/Incomplete Dominance

How to express genes A – dominant a ‐ recessive Wv – anemia and sterility wv – staggering gate Ilalics + ‐ used to represent wild type (aka normal or non mutant)

B6.Cg-Foxn1nu/JCrl:NU-Foxn1nu

Crl:CD1-Foxn1nu

Gene expression A single trait can be impacted by many genes A single gene may affect more than one trait S1 gene – Piebald lethal gene

Hair coat Abnormal GI tract

Phenotype

Zygositydef:  the number of copies of an allele

Zygote: the cell produced at fertilization by the union of a male and female gamete (sperm and egg)

Homozygous ‐ 2 copies of the same gene Heterozygous – different genes on the same locus

Table 4.1Examples of Mouse Coat Color 

Gene Expression

Gene linkage Linked genes are located adjacent to one another on the same chromosome and tend to be inherited together Fluit fly :  Drosophila melanogaster black body/vestigial wings

Genes on different chromosomes are inherited separately Segregate and reassort

One Set of Chromosomes (Human)

Strain and Stock nomenclature Outbred stocks (capital letters)

SW and ICR : indicates holder and precedes the stock name

Crl:SW

Inbred strain (capital letters +/‐ numbers) AKR, DBA, C57BL, 129 (rare)

Substrain Number of the line and/or person or lab

A/J, C57BL/6NCrl  BALB/C (C‐albino)

http://jaxmice.jax.org/support/nomenclature/tutorial.html

Other rodents Rats

Outbred stock SD – Sprague Dawley LE – long evens

Inbred strain F344 – Fisher rat LEW – Lewis rat

Guinea pigs Inbred strain

Strain 2 and 13

BALB/c StCrl p GF (F83)

Strain Symbol (All Capitals and/or numbers)

Diagonal/ separates strain from substrain

Substrain Designation

Subline Derivation

Hygienic State

Mice name BALB, with albino gene, originally inbred by strong, now by charles river from freeze preserved embryos. Mice are germ free and inbred for 83 generations

Reproduction and Breeding Estrous cycle

Four stages:  

proestrus, estrus, metestrus, diestrus

Anestrus – time between cycles, length is species dependent

Monoestrus vs polyestrus vs seasonal polyestrus 

Eggs (ova) develop in

the follicles of the ovary,

receptive to male

Maximal receptivity, ova enter

the oviduct, lordosis,

Non responsive, reproductive tract

returning to normal

Terminology False pregnancy/pseudopregancy

Female mates with a sterile male No fertilization Nest building and milk production, shorter

Gestation Time from fertilization to birth (parturition)

Superovulation = Inject gonadotropins (reproductive hormones) Increased number of eggs that mature and release from the ovary

Terminology Intromission (Coitus)

Male inseminating the female with sperm Artificial Insemination (AI) and in vitro fertilization

Manually placing semen into the reproductive tract Female: naturally cycling, hormone induced  Male: artificial vagina, manual or electro ejaculation, or directly from the testis/epididymus 

In vitro = union of eggs and sperm outside the body Zygote can be implanted into a pseudopregnant uterus or oviduct for normal development

Egg and Embryo collection

Eggs Unfertilized eggs aspirated directly or flushed

Embryo collection Fertilized eggs Prior to implantation in the uterine wall

Embryo transfer Requires careful planning and time

Dam mated with a vasectomized Sire = Pseudopregnant Why?

Sensitive mutant mice Create transgenic and targeted mutations (knockout) animals

Clean up a colony aka rederivation Only for agents that are infectious after birth (horizontal) Not for agents transferred in utero(vertical)

Vaginal Cytology Used to determine stage of estrus cycle microscopically Wash

Flush with sterile fluid, centrifuge, smear on a slide

Sterile swab inserted into the vagina and rotated Collects cells from the vaginal wall

Estrous cycle Cycles are species specific Rats

Proestrus:  squamous cells  (12 hours) Estrus: cornified squamous cells (9‐15 hours) Metestrus – leukocytes (WBC) + few cornified squamous (14‐18)

Diestrus – leukocytes and round epithelial cells (60‐70 hours) 

http://cancerres.aacrjournals.org/content/70/1/221.full

Inflammatory cells (WBC)

Squamous epithelial cells (immature-(lt blue)

Epithelial cells, Inflammatory cells

Cornified Epithelial cells (mature-(orange)

Mating Systems Non intensive  Male removed and not returned until pups are weaned

Intensive breeding Male remains with the female

Many males and females – don’t know parents, fighting One male, many females – less fighting, shared care Post partum estrus (24 hours)

Monogamous and Polygamous systems Harem breeding Gerbils: monogamous pairing

Hormone effects Group housed females = anestrus (Lee Boot)

Hormone expression results in suppression of estrus

Whitten effect  Exposure to a male (or male urine) will cause females to go into estrus on day 3

Used to synchronize for timed mating

Foster care Lactating dam that cares for young that don’t belong to her

Want the young to be close in age Used to eliminate pathogens from colony

Pregnant dam‐ pups delivery via cesarean section (sterile) and given to clean dams

Can create specific litter size/gender

CAN’T CROSS-FOSTER HAMSTERS!!!

Breeding Scheme Founders

Transgenic – original animals that have incorporated the desired DNA into their cells

Founders     expansion colony Helps to ensure that the desired trait will not be lost

Expansion colony  production colony Use in experiments

Breeding Scheme Hybrid breeding

Cross two inbred lines Shorthand combination of the parent strains C3D2F1 ‐ C3H/H3 dam crossed with a DBA/2 male, 1st gen

Recombinant inbred Crossing two inbred lines then brother sister mating Used to determine gene linkage

Breeding Scheme Coisogenic

Animal displaying a spontaneous mutation (differs by 1 gene only), breed to the original background strain

Congenic breeding Selectively mating a mouse with a mutation to a specific strain

Selecting mice with the mutation (F1) and continue to breed to inbred strain, 10‐12 cycles to be fixed

Genetic make up of an individual influences on the expression of a single gene

http://jaxmice.jax.org/support/nomenclature/tutorial.html

Other breeding aspects Cannibalism and desertion

Inexperienced female Overcrowding Poor environmental conditions Disturbance or stress

Caging – larger, nest boxes, metal cages (cold), wire bottom

Environment Light cycle, temperature, humidity Quiet area, reduce noice improves success

Breeding info Female defends territory (take her to the male cage) Confirmation of copulation

Vaginal plug Swab and look for sperm

http://www.thefunmouse.com/info/breeding.cfm

Signs of estrus Dogs

Proestrus: restless, hungry, swollen vulva, discharge Estrus: less blood in discharge, mounting, rapid turning on the hindlegs and stamping of forelegs, acceptance

Metestrus: fights off male, return to normal, vulva less swollen

Non Human Primate Sex skin

Queen (cats)  1‐2 days prior to estrus vocalization, flattening the back and elevation of the hindquarters, 

Lab animal litters First few litters small Post partum estrus  (rats, mice, guinea pigs)

Dystocia Guinea pigs – mate before 6 months of age WHY?

Pelvic symphysis will ossify around 7 months if not bred Cesarean section will be required to deliver pups

Young G. pigs have a fibrocartilagenous symphysis  flexible so big pups can pass out of vaginal canal  (Gestation is 59‐72 days)

This term describes an animal containing genetic material artificially transferred from another species or breed?   Transgenic

Genetic engineering Transgenic ‐ Why would we do such a thing?

DNA from a different animal inserted into genes Function (make human protein) Block function/remove

Targeted mutation Knockout

http://www.biochem.mpg.de/en/facilities/transgene/

How can we do such a thing? Pronuclear injection

Inject DNA into fertilized egg Retroviral insertion

Attach DNA to a virus, carries to zygote for introduction into cell

Modified virus (no DZ) Embryonic stem cell insertion

DNA inserted into a stem cell via electroporation (electric current)

http://www.biochem.mpg.de/en/facilities/transgene/

Genetic engineering In vitro (outside the animal)

Zygote then placed in a surrogate mother Only small numbers survive Only a small number of those incorporated the DNA

Chimera (see chart next page) DNA will incorporate into some but not all of the cells  Hope that it is in the germ cell s(egg and sperm)

Genotype Collect a small piece of tissue and look for copies of the DNA

Chimera Types of cells from the 129 strain (injected embryonic stem cells) as well as from the B6 strain fertilized egg (zygote) 

CLONING Correct disease in humans by substituting the correct gene for the one with the defective one

1st clone of an adult mammal Nucleus from a mammary gland cell of a sheep and inserted it into the nucleus of an egg cell 

Placed in a donor animal  Offspring= clone 

100% homozygous at all loci No breeding/exact copy of the genetic material in the cell of the donor

Wilmut stated "Dolly is derived from a mammary gland cell and we couldn't think of a more impressive pair of glands than Dolly Parton's".[6]