鼠年話鼠(下)

延續第845期刊登之「鼠年話鼠(上)」一文,瞭解實驗用小鼠的起源、種類和習性與免疫缺陷鼠的起源與用途後,本期接著介紹基因轉殖鼠的起源與用途和實驗用鼠的飼養工作、習性等基本知識。

四、實驗用鼠—基因轉殖鼠的起源與用途
基因轉殖廣義而言是將外來物種DNA置入生物的基因組(genome)中,而世界上第一例基因轉殖的小鼠出現在1974年,Rudolf Jaenisch與Beatrice Mintz想要研究致腫瘤病毒是否能透過繁殖傳遞給後代,於是將Simian virus 40(SV40)病毒DNA注射入C3H小鼠早期胚胎(囊胚)內,再以手術方式將胚胎移植入假懷孕孕母子宮角內,但出生率僅有39%,存活達一年的只有36%,其採樣後的臟器25%可檢測出SV40的DNA,但以此方式產出的基因轉殖鼠,病毒基因無法傳給後代。

然而真正成功的基因轉殖鼠誕生,卻是個實驗附加的意外產物,由於對重金屬蛋白質(Metallothionein, MT)基因調控生理的興趣,Richard Palmiter與Ralph Brinster在1981年成功將不相關的基因(thymidine kinase, TK)與MT基因連接,並將其注射入受精卵的前核(pronuclei)內,出生的動物有1/3帶有此改造基因,正常而言,重金屬可以促進MT基因表達,透過飼料添加給予小鼠後發現,不僅MT基因表現增強,與其連結的Thymidine kinase表達也隨之上升。之後,他們更進一步連結MT基因與大鼠生長荷爾蒙(rat growth hormone)基因,透過於飼料與飲水中添加硫酸鋅(ZnSO4),帶有此基因小鼠的生長速度與體型,皆比正常小鼠快速且巨大,也得到了「超級小鼠(Super mice)」的暱稱,該文章發表於1982年Nature期刊,成功促進1980年代科學界利用基因轉殖小鼠研究各種基因功能與基因相關的疾病。

主導近三十年來基因轉殖小鼠技術的主流是胚胎幹細胞(embryonic stem cells, ESC),由Martin Evans、Oliver Smithies與Mario Capecchi等人於1980年代末期建立,也因此項技術榮獲2007年諾貝爾獎。透過ESC的建立,伴隨1990年代基因編輯技術的演進,科學家們可以更精準地操控基因,無論是插入外來基因,或是剔除、開啟、關閉特定基因、反轉基因序列,甚至可以針對特定臟器、細胞進行編輯;其中,最常用的是1990年代建立的Cre-loxP系統,利用源自於噬菌體的酵素,辨識出loxP序列前後包圍的目標序列,以編輯基因。但以此方式生產出的動物,保守估計至少需要一年半的時間,才能將編輯過的基因固定在單一基因背景(genetic background)的小鼠上。

近年來引領風潮的則是CRISPR/Cas9基因編輯法,此機制在2005年由Francisco Mojica確認為細菌自身用於抵抗噬菌體病毒的免疫機制,而後持續有科學家改進此項技術,但多數為試管內或體外(in vitro)的驗證,直到2013年Feng Zhang團隊為第一個成功將此項技術應用於小鼠基因編輯,將設計好的CRISPR/Cas9序列注射入受精卵內,一次編輯2個基因,成功簡化流程、降低成本。依據美國Jackson Laboratory的數據,使用CRISPR/Cas9可大幅縮減時間、成本與人力,約莫六至八個月即可產出基因轉殖鼠(圖3)。


圖3:小鼠基因轉殖方式比較圖(來源:Generating Mouse Models with CRISPR/Cas9, The Jackson Laboratory)

五、實驗用鼠的飼養工作
動物中心主要任務之一為提供生物醫學科學研究所需之實驗動物飼養與代養服務,目前,本院竹南院區與台南院區實驗動物中心合計每年約執行二百份動物實驗計畫書,每日平均動物飼養總量約為一萬七千多隻,其中96%為小鼠、3.5%為大鼠(含棉花鼠、尼羅河草鼠)與倉鼠,而兔與犬僅約占0.5%;在動物中心飼養之小鼠中,超過一半是特殊基因改造小鼠。此外在國內絕無僅有的棉花鼠與尼羅河草鼠,是本院分別為進行呼吸道病毒疾病疫苗研發與代謝性疾病之研究特別引進的動物模式;倉鼠則是因應近期COVID-19疫情之緊急研究任務而引進之動物模式,各種品系小鼠的先天習性頗有差異,因此飼育人員不論在接收與進行飼育時,都必須根據其習性差異來進行觀察並調整管理策略(如表一),研究人員的高品質實驗數據,有賴我們一起維持實驗動物的健康狀態並提供必要的照護與醫療服務。

表1:不同品系小鼠的習性差異

動物中心面積約二千一百餘坪(包含竹南和台南院區),包含了五十多間動物飼養房,目前在職有4位獸醫師、3位技術師、1位行政人員與31位飼育人員,負責實驗動物之引進、檢疫、健康監測與每日之飼養照護、觀察、技術服務與醫療處置,並期以提供符合國際標準之實驗動物專業飼養管理,成為本院進行生醫研究之堅強後盾。

 六、鼠輩?鼠王?鼠之群像
您對鼠的印象如何?人們俗稱其「老鼠」,卻往往很難從外觀上得知鼠的年紀,同時文化上對於鼠的形象也有所歧異,歷史上因為老鼠偷吃存糧、啃咬破壞物品、傳播疾病,人們視老鼠為禍患,因此有許多負面的成語和俗語與鼠有關,例如:獐頭鼠目、鼠目寸光、鼠雀之輩、城狐社鼠、鼠腹雞腸、過街老鼠人人喊打等皆有貶抑的涵意,也許是因為鼠為夜行性動物,加上人類早期文明對於黑夜的懼怕,更讓鼠在人類心中留下負面的印象。今年農曆年恰為新一輪的鼠年開啟,很妙的是,「鼠」在十二生肖的順位中卻是排名第一,讀者們大多從小聽過十二種動物如何得到生肖排名的童話故事,現在想想不覺莞爾,如果我們認為鼠總是憑藉著狡猾詭詐的手段爭取利益,又怎麼會在十二生肖當中排名首位呢?也許前人有先見之明,認為老鼠的習性還是有其可取之處,恐非天然純惡。

其實,因為鼠是聰明溫順、具有靈性、體型小所需空間不大、適應力強的動物,人們開始將鼠視為寵物飼養,鼠不再只是人人喊打的存在,甚至躍升為卡通電影題材,帶給人們歡樂。1928年11月華特迪士尼正是依家中寵物鼠為原型,創造了瘋迷全世界大人小孩都愛的角色—米奇,米奇老鼠(Micky Mouse)也成了迪士尼官方吉祥物,大家俗稱為米老鼠;截至2017年《富士比》商業雜誌報導,這隻米老鼠為迪士尼公司賺進1,780億美元。而2007年動畫電影《料理鼠王》更是以一隻嗅覺靈敏的大鼠為主角,不甘於每日偷竊取食、躲躲藏藏的生活,夢想著可以製作品嚐各式美食,經歷重重波折,最終排除萬難,在法國巴黎精華區開了自己的餐廳,成為一名主廚。這部電影於全球票房竟高達6.23億美元並獲獎無數。在這裡用另一個輕鬆的層面來觀看鼠的群像(各種形象),上述這些觀點或故事反應出人們對鼠的印象已不如以往都是負面導向,同時,如今現代進步的醫療技術,某種程度也應歸功於實驗鼠的貢獻。

結語
動物中心除實驗動物飼、代養服務之外,還提供多樣的教育訓練活動、技術暨實驗平台,甚至是客製化的服務,希望能廣泛支援本院的各項研究工作與全國實驗動物基礎技能教學。針對實驗動物所需的基礎技能,動物中心也提供完整的教育訓練課程(網址:https://lac.nhri.org.tw/),亦包含客製化教學的需求,例如:實驗用犬相關課程。

  1. 學科基礎課程:包括本院實驗動物照護與使用計畫的撰寫須知、動物保護與動物福祉、實驗動物外科手術學科基礎訓練等。
  2. 實驗動物技術課程:包括大小鼠抓取與保定、大小鼠投予與採樣、小鼠初階和進階手術、兔抓取與保定、兔投予與採樣等。
  3. 客製化的訓練課程:包括氣管投予、腦內注射與原位注射、頸靜脈插管、倉鼠操作技能等,或一對一客製化教學指導,以推廣研究人員所需基礎和多樣性動物實驗操作。


圖4:小鼠之抓取保定(左)、小鼠胃管投予(中)及大鼠胃管投予(右)教育訓練課程

動物中心也進行科學教育的扎根,2014年起,動物中心與本院斑馬魚核心設施多次舉辦科學夏令營/冬令營,透過文字介紹、手作實驗與遊戲問答使在校學生認識生醫科學,點燃對科學的好奇心,開拓視野,在心中播下了科學種子;並培養尊重生命的態度,瞭解動物對人類科學研究的貢獻,有助於科普教育的推動,幫助學生踏出邁向科學家的第一步。

不只扎根,動物中心也針對研究生需要的專業知識和技能進行補強。今年(2020年)暑假期間,實驗動物中心將首次將最重要的實驗動物相關學科課程濃縮成一日(網址:http://ibenenroll.nhri.org.tw/index.html),重點為影響動物實驗的潛在因子,並結合基礎生醫影像課程,提供整合性的教育課程,建立正確的實驗動物操作知能,有助於學員未來得以規劃嚴謹的動物實驗,取得有效的實驗數據。此套課程涵蓋了影響實驗動物的因素、實驗動物之血液檢測影響血檢結果之因子、進行動物實驗可能忽略的事項、動物用電腦斷層與正子斷層影像、生物活體螢光影像概論與動物中心使用與管理作業程序等,非常期待這些課程帶給學員滿滿的收獲。

參考文獻:

  1. Generating Mouse Models with CRISPR/Cas9, The Jackson Laboratory
  2. Woods L, A Look Back at the Legacy of Mickey Mouse on His 89th Birthday, GoBankingRates, 2017. , https://www.gobankingrates.com/net-worth/celebrities/look-back-legacy-mickey-mouse-his-birthday/#9
  3. 維基百科:米老鼠、料理鼠王
  4. 國家衛生研究院實驗動物中心,網址https://lac.nhri.org.tw/
  5. 暑期研究生實驗動物核心課程,網址:http://ibenenroll.nhri.org.tw/index.html

文/圖:實驗動物中心簡旭哲獸醫師、周知林獸醫師、吳欣穎獸醫師、曾國權、張淑美、林雅玲獸醫師、謝家銘、吳佳樺、陳仁焜代理主任

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