Science丨一半的实验小鼠品系名不副实？是时候给科研小鼠做“基因体检”了

撰文丨亦

在生命科学研究中，实验室小鼠无疑是居功至伟的“首席功臣”。自1901年设立诺贝尔生理学或医学奖以来，多达232 位得主中的绝大多数人都借助了动物模型——尤其是实验室小鼠，完成了他们改写人类医学历史的突破性发现。然而，你悉心繁育、耗费数年心血研究的“高纯度”近交系小鼠，它名字里的“遗传背景”，真的和它体内的基因组对得上吗？

近期，北卡罗来纳大学教堂山分校遗传学系Fernando Pardo-Manuel de Villena团队在Science上发表了题为Improve genetic quality control to increase rigor and reproducibility of mouse research的文章，披露了一组令人震惊的数据：在一项针对数百个权威突变小鼠品系的遗传“大筛查”中，竟然有高达一半的样本存在实际基因型与报告名称不符的现象。因此，文章通过使用最新技术的遗传质量控制（genetic quality control，GQC）流程，来解决小鼠研究中命名与基因型不一致的问题，从而提高小鼠研究的科学严谨性和可重复性。

为什么小鼠的名字如此重要？在小鼠的标准命名规则中，一个标准的品系名称不仅要包含人们感兴趣的突变等位基因，还必须按顺序详细标注它的遗传背景、背景的复杂程度，以及先后繁育、持有该品系的实验室或机构。由于实验室小鼠的工程化allele（等位基因）和 strain genetic background（品系遗传背景）共同决定了最终展现出来的表型，因此严格的GQC是实验能够被他人重复的绝对基石。

那么为什么如此大比例的小鼠名称都存在错误呢？这些错误又是如何被发现的呢？作为全球顶尖的资源库，美国突变小鼠资源与研究中心（MMRRC）自 1999 年接受美国国立卫生研究院（NIH）委托以来，一直承担着为全球科学家保存和分发珍贵突变小鼠品系的重任。但长期以来，MMRRC 的质量控制重心主要集中在“目标突变基因”本身对不对，而对于小鼠繁复的“遗传背景”，则完全依赖于提交者（科研人员）自行提供的信息。随着近年来生物医学界对“科研可重复性”的呼声日益高涨，越来越多的证据表明，许多小鼠品系的遗传背景描述存在严重的不准确或前后不一致。更糟糕的是，现行的国际小鼠标准命名规则并不能完美地反映小鼠基因组内部复杂的细微差别。

为检验现行数据的真实情况，研究团队动用了2020年发布的实验室小鼠高分型利器——MiniMUGA（Mouse Universal Genotyping Array）。在经历了全方位的标记注释更新和参考近交系数据集扩大后，MiniMUGA已成为MMRRC官方认可的品系 GQC重要工具。团队对来自 MMRRC 各个中心维持的 341个品系、共计 611个小鼠样本 进行了 MiniMUGA 基因分型芯片的大筛查。发现遗传背景不一致现象极其普遍，大量基因型与原始名称比对存在差异的情况，包括亚系不一致、品系类别不一致、主要构建体不一致和品系水平不一致等，且单个样本可能同时存在多种不一致的情况。其中，还有些十分致命的错误：1）“早期同源导入系”：在379个理应命名为标准“同源导入系”的样本中（代表211个品系），高达 71% 的样本在多条染色体上都发现了供体品系的基因贡献；2）遗传不稳定性：这批样本中，有 75% 的样本在芯片分辨率下，品系基因组不具备完全的可重现性。这批样本中，能同时满足‘同源导入’（背景纯净）和‘近交固定’（遗传稳定）两项基本理论预期的样本仅占20%。这就解释了为什么很多时候，A实验室做出一个表型，B实验室严格买了一样名字的小鼠，却怎么也重复不出来——因为你们买的小鼠，体内还残留着大片未被纯化的供体染色体。更危险的是，9%的主要构建体不一致中，常常包含意外游离、处于分离状态的Cre重组酶、Flipase（重组酶）以及红/绿荧光蛋白（RFP/GFP）等强效构建体，这会影响整个实验设计的科学严谨性。

（报告名称与 MiniMUGA 基因分型之间不一致的类型和频率）

针对以上问题，研究团队给出了一套行之有效的开源解决方案：设计了一套全新的MMRRC品系GQC工作流。作者并不主张对实验中使用的每一只小鼠都进行基因分型，而是倡导建立一套标准协议，确保繁育小鼠的种群和实验队列能够接受常规的、周期性的“遗传体检”。这套流程首先利用MiniMUGA芯片计算出基因组中发生分离的比例，随后结合已知的高密度芯片基准数据集，间接估算出品系内实际存在的分离SNP数量（因为表型的改变往往与分离的 SNPs 数量最强烈相关），并最终生成一份包含RRID、背景追溯以及带有基因组染色体示意图的非专业人士友好型报告（Strain GQC Report）。目前，已有超过120个在线品系配备了这一新版报告，并正优先覆盖那些活体保存和高频被申购的明星品系。通过这套流程，大型学术机构能够精准发现繁育过程中的人为错误、基因突变或变异的分离固定，从而及时终止错误的繁育分支并优化繁育方案。这对国家公共财政资金和极其宝贵的科研资源的明智管理具有不可估量的经济价值。

（Strain GQC工作流示意图）

综上所述，本研究为每一位在生化环材和医药领域挑灯夜战的科研人员敲响了一记警钟：在怀疑自己的试剂、抗体、组学数据之前，不妨先用现代化的分析工具，给实验室的小鼠们做一次彻彻底底的基因体检。同时也呼吁包括供应商、分发资源库、学术繁育中心在内的所有利益相关者行动起来，需要注意的是，目前该质控管线中的共识基因型对照株主要来自美欧供应商，虽然品系库正在不断扩大，但外部研究者（如亚洲/中国地区）在复制或使用该管线时需注意本地特有品系或供应商的兼容性。

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

制版人： 十一

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