ZUCHT UND GENTIK - sicherheitswesen.verwaltung.uni … · KLINIKUM DER UNIVERSITÄT MÜNCHEN® Die DNA 5 04.07.2014 DNA = Desoxy-Ribo-Nuklein-Säure (Acid) Doppelhelix Homologe Chromosomen

CAMPUS INNENSTADT

04.07.2014

ZUCHT UND GENTIK

KLINIKUM DER UNIVERSITÄT MÜNCHEN®

Teil I: Grundlagen der Zucht und Genetik

Genom der Säuger

Allgemeine Vererbungslehre

Wichtigste Zuchtdaten

Verschiedene Zuchtverfahren

Nomenklatur der Maus- und Rattengenetik

Teil II: Genetisch veränderte tiere- wichtige Basistechniken und daraus entstehende Tiere (Termin steht noch aus)

DNA-Mikroinjektion

Embryonale Stammzellen

Somatischer Kerntransfer (Klonen)

IVF, Embryotransfer, Kryokonservierung

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INHALT

Quelle: www.wikipedia.org


Genom der Säuger

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Genom: Gesamtheit der genetischen Information

Gen: Funktionseinheit der DNA zur Bildung von Proteinen oder RNA

Allel: Zustandsform eines Gens, das sich an einem bestimmten Ort

(Locus) auf einem Chromosom befindet. (paternales und maternales Allel)

→ Homozygotie: der Genomlocus trägt zwei identische Allele

→ Heterozygotie: der Genomlocus trägt zwei unterschiedliche Allele

→ Hemizygotie: der Genomlocus trägt ein Allele

Genotyp: Allelkonstellation eines Individuums an einem Genomort

Phänotyp: Erscheinungsbild ist in der Genetik die Menge aller Merkmale

eines Organismus

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Genetik: Begriffe



Die DNA

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DNA = Desoxy-Ribo-Nuklein-Säure (Acid)

Doppelhelix

Homologe Chromosomen = gleiche lineare Abfolge der Gene

Diploid = Austattung einer Zelle mit je 2 (2n) der aneinander

entsprechenden Chromosomen

Haploid= 1n

Ausnahme der Homologie:

→ Gonosomen= Geschlechtschromosomen

Übrigen Chromosomen:

→ Autosomen


Die DNA

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Quelle: AMM-Online


Chromosomenanzahl

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„Genom-Entzifferung: Die Maus ist überraschend menschlich“ (2002)

Mus musculus:

ca. 2,5 Milliarden DNA-Basenpaare

Ca. 25.000 Gene

40 Chromosomen

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Lebewesen Basenpaare

Lambda-Phage 50.000

Coli-Bakterien 4.000.000

Fadenwurm 80.000.000

Fruchtfliege 200.000.000

Maus 2.500.000.000

Mensch 3.000.000.000


Wade CM et al. (2002) Nature 420, 574-8

Genetische Variabilität: Labormaus

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Grundlagen der Vererbungslehre

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Wer ist das?

Gregor Johann Mendel

* 20. Juli 1822 † 6. Januar 1884

katholischer Ordenspriester und

bedeutender Naturforscher

„Vater der Genetik“

„Erbsenzähler“



Die mendelschen Regeln der Vererbung

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Uniformitätsregel

F1-Nachkommen einer Kreuzung von zwei Linien P, die sich

in einem Merkmal unterscheiden, für das sie homozygot

sind, sind uniform für dieses Merkmal.

Spaltungsregel

Nachkommen der Kreuzung von heterozygoten F1

Nachkommen, die aus der Kreuzung zweier reinerbiger

Elternlinien P stammen, zeigen eine Aufspaltung der

Phänotypen nach definierten Zahlenverhältnissen.

Unabhängigkeitsregel

Allele eines Gens verteilen sich unabhängig von den Allelen

anderer Gene auf die Nachkommen. Bei der Kreuzung von

mehreren unabhängigen Merkmalen entstehen so viele neue

Formen, wie es Kombinationsmöglichkeiten gibt.


Beispiel

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A : schwarz

a : braun

B: ungescheckt

b : gescheckt


Fortpflanzung - Grundlagen

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Quelle: Biologie; Campbell, Reece


Genetisches Material

Beispiel: normale, ruhende Zelle

Zelle mit 2 Chromosomen-Paaren

Groß = Chromosom Nr.1

Klein = Chromosom Nr.2

Jedes Chromosom mit jeweils 1 Chromatide

Aber für jedes Chromosom 1 Chromatide

vom Vater (blau) und eine von der Mutter

(orange)

Doppelter Chromosomensatz (diploid), weil

beide Chromosomen doppelt da sind.

Zweifacher DNA-Gehalt, weil jedes

Chromosom nur aus 1 Chromatide besteht

2

1 1

2


Zellteilung = Mitose

DNA-Gehalt muss erst verdoppelt werden,

aber der Chromosomensatz bleibt dabei

gleich (diploid)

Zelle mit Chromosomen, die aus immer 2

gleichen Chromatiden bestehen

diploid, aber mit vierfachem DNA-Gehalt

Phasen: Prophase + Metaphase

2

1 1

2


Zellteilung = Mitose

In der Anaphase + Telophase

werden dann die Chromatiden

getrennt und auf 2 Tochterzellen

verteilt

2

1 1

2 2

1 1

2

beide Zellen sind jetzt immer noch

diploid (jedes Chromosom ist doppelt),

aber der DNA-Gehalt ist wieder normal,

weil jedes Chromosom nur eine

Chromatide hat


Reifeteilung (= Meiose)

Reifeteilung passiert bei der Entstehung der Keimzellen in der

Embryonalentwicklung und während der Geschlechtsreife

2 Phasen: 1. und 2. Reifeteilung (= Meiose I und Meiose II)

Zuerst wird der DNA-Gehalt verdoppelt (in der Prophase der Meiose I )

Dann werden ganze Chromosomen (nicht einzelne Chromatiden) auf

Tochterzellen verteilt

In Meiose II findet dann „normale“ Zellteilung statt. ABER der DNA-

Gehalt wird davor nicht noch mal verdoppelt

entstandene Tochterzellen haben nur einfachen Chromosomensatz

(=haploid), wobei jedes Chromosom auch nur eine Chromatide hat

(einfacher DNA-Gehalt)

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Meiose I

Meiose I (=1. Reifeteilung): beginnt mit der Verdoppelung der DNA

(Zelle ist noch diploid)

Dann Verteilung der Chromosomen auf 2 Tochterzellen

Jede Zelle ist jetzt haploid, weil es von jedem Chromosom nur eine

Version gibt; aber der DNA-Gehalt ist noch doppelt (pro Chromosom

zwei Chromatiden)

Bei der Verteilung können väterliche/mütterliche Gene vermischt

werden!

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Meiose II

Meiose II (=2. Reifeteilung): Trennung der Chromatiden

(dabei auch Crossing-over möglich)

4 Zellen, haploider Chromosomensatz, einfacher DNA-Gehalt

= 4 Spermien oder 1 Oocyte

2

1

1

2

1

2 2

1

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Zuchtdaten verschiedener Versuchstiere

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Labormaus: Reproduktion

Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Trächtigkeit:

Wurfgröße / -gewicht:

Absetzalter:

Absetzgewicht:

Anpaarung:

4-6 Wochen

ab 7-8 Wochen

asaisonal, polyöstrisch, alle 4-5 Tage

18-21 d

5-15 (> 20) / 1 g

18-21 d

10 g

permanent ( Post partum-Östrus) oder

intermittierend, monogam oder polygam

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Geschlechtsbestimmung

- ab D1: Ano-Genital-Abstand

- D8-10: Milchdrüsenanlage

Anpaarung

- Weibliche Tiere zu Böcken / Neuer Käfig

- Anpaarung von 5 weibl. Tieren über Nacht

1 gedecktes Tier

Paarungskontrolle

- Vaginalplug (-12 h p.c.)

(- Spermien im Vaginalschleimausstrich)

Maus: Zucht

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Bruce-Effekt

Blockade der Einnistung der Embryonen in die Gebärmutterschleimhaut

eines trächtigen Tieres durch Pheromone eines fremden Bocks

Lee Boot-Effekt

Unterdrückung des Östrus in weiblichen Tieren bei gemeinsamer Haltung

Whitten-Effekt

Östrusinduktion / Brunstzyklussynchronisation von weiblichen Tieren

durch engen Geruchskontakt mit Bock (Harnkomponenten)

Zucht: Maus Pheromoneffekte

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Laborratte: Reproduktion

Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Trächtigkeit:


Absetzalter:

Absetzgewicht:

Anpaarung:

7-10 Wochen

12 Wochen

asaisonal, polyöstrisch, alle 4-5 Tage

20-23 d

5-10 (-15) / 5 g

18-21 d

50 g



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Kaninchen: Reproduktion

Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Trächtigkeit:


Absetzalter:

Anpaarung:

100 d

180 d

unregelmäßig, stets sprungbereite Follikel im Ovar,

induzierte Ovulation ca. 10 h nach Begattung

30 (23-34) d

4-10 / 30-100 g

6 Wochen

temporär; weibliches Tier zum Bock!

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Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Trächtigkeit:


Absetzalter:

Absetzgewicht:

Anpaarung:

Meerschweinchen: Reproduktion

W 4-5 Wochen, M 8-10 Wochen

10-15 Wochen / ab ~400-500 g

polyöstrisch, 16 (13-20) Tage

65±3 d

1-4 / 75 g

21 d (Nestflüchter !)

200 g



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Goldhamster: Reproduktion

4-6 Wochen

8-10 Wochen

polyöstrisch, alle 4 Tage

15 d

3-15 / 1-2 g (Aufzucht ~50%)

18-21 d

20 g

temporär

Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Trächtigkeit:


Absetzalter:

Absetzgewicht:

Verpaarung:

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Gerbil: Reproduktion

Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Trächtigkeit:


Absetzalter:

Absetzgewicht:

63-84d

♀10 Wochen; ♂12 Wochen

polyöstrisch, 4–6d

24-26 d

1-12 / 2,5-3,5 g

21-28 d

21-28 g

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Hund: Reproduktion

Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Trächtigkeit:


Geburtsgewicht :

Absetzalter:

Absetzgewicht:

♀ab 6 Monate; ♂ab 5 Monate

ab 12 Monate

monoöstrisch, 7-8 Monate

durchschnittlich 63d (61 bis 65)

5 - 6 Welpen / 1-2 g

~ 240g

12 Wochen

0,7-1,5 kg

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Schaf: Reproduktion

Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Brunstdauer:

Trächtigkeit:


Absetzalter:

Absetzgewicht:

6-8 Monate

9-12 Monate (50 -60 kg Körpermasse)

16-18 Tage (z.T. asaisonal)

30-36 Stunden

145-150d

1-2/3-6 kg

3 Monate

25 kg

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Minipig: Reproduktion

Geschlechtsreife:

Zuchtreife:

Brunstzyklus:

Trächtigkeit:


Absetzalter:

Absetzgewicht:

3-5 Monate

5-6 Monate

19,5d Dauer:2,9d

112-114d

5-8/ 400-500g

50 d

8-15kg

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Zuchtformen & ihre Nomenklatur

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Ziele bei der Zucht von Versuchstieren

Etablierung und Erhalt (Wiederholbarkeit) von spezifischen

Eigenschaften (Gene)

Standardisierung der Zielmerkmale und genetischer Einflüsse in

Tierversuchen

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Einflussgrößen

Selektion

Populationsgröße

Mutation (Rekombination)

Migration

Genetischer Drift

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Stamm Kategorien

Auszucht-Stämme

Inzucht-Stämme

Hybrid-Stämme

Spontane Mutationen

Genetisch veränderte Stämme

Congene Stämme

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Conplastische Stämme

Rekombinanter Inzuchtstamm

Recombinater congener Stamm

Coisogene Stämme

Consome Stämme


Standardisierung der Nomenklatur

Große Vielfalt an Laborratten und - Mäusen

Notwendige Kategorisierung

Eindeutige Identifizierung eines bestimmten Stammes

Eindeutige Identifizierung eines bestimmten Gens, Genorts oder

Symbols und damit assoziierter Allele, Varianten und Mutationen

Reproduzierbare Ergebnisse

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Nomenklatur

Regeln für Nomenklatur der Mausgenetik wurden bereits in 1940 durch

Dunn, Gruneberg, und Snell publiziert

Updates erfolgten durch „the International Committee for Standardized

Genetic Nomenclature in Mice“

Regeln für Nomenklatur der Rattengenetik wurden zuerst 1995 durch

Levan et. al. publiziert

Updates durch „the Rat Genome and Nomenclature Committee“

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Labor Code

Identifizieren Züchter, Institut, Labor oder Wissenschaftler, der Ratten-

oder Mäusestamm züchtet oder hält, oder DNA Marker oder

Mutationen entwickelt hat.

Werden durch MGD (mouse genom database) oder durch das „Institute

for Laboratory Animal Research“ (ILAR) vergeben.

Beispiele:

J The Jackson Laboratory

Crl Charles River Laboratories

Unc University of North Carolina

Mpin Max Planck Institute for Neurobiology

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Auswahl von Zuchtieren

Je nach Zuchtleistung der Eltern potenzielle neue Zuchttiere aus 3.-5.

Wurf wählen

Stammspezifische Größe (Extreme vermeiden)

Ausgeglichene Würfe

Mittleres Gewicht

Konkrete Zuchttierauswahl direkt vor der Verpaarung

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Auszucht

Geschlossene Population

Konstanter Heterozygotiegrad

Minimale Zunahme der Homozygotie

Keine Sublinienbildung

Bezeichnung: Züchter : STAMM Bsp.: Crl:CD1(ICR)

Verfahren:

Zufallsverpaarung (>100 Zuchtpaare, nur in Ausnahmefällen)

Pedigree-Zucht (> 10 Zuchtpaare, Anpaarung nach Stammkarte)

Rotationszucht (verschiedene Schemata: Rapp, Poiley, Robertson)

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HAN-Rotationssystem nach Rapp (1972)

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Einteilung der Population in

bestimmte Anzahl von Blöcken

Anwendung eines starren

Verpaarungsschema zwischen den

Blöcken pro Generation

Mindesansatz: 25 Zuchtpaare

Quelle: Tierpflege in Forschung und Klinik, Thieme Verlag


Inzucht

Erster Inzuchtstamm C57BL/6 (W 57 + 58 : M52)

Maximale Homozygotie

> 20 Generationen Bruder X Schwester

(Elter x Nachkommen möglich)

Inzuchtkoeffizient>98% (Ft = 0,25 (1+2F t-1+Ft-2))

Bezeichnung:

STAMM in Buchstaben, Ziffern/Sublinie, Züchter Bsp: C57BL/6NCrl

Genpool nicht völlig stabil (Residualheterozygotie, spontane Mutation)

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Miss Abbie E.C. Lathrop at Granby. Redrawn from the Springfield Sunday Republican, October 5, 1913. Quelle: www.informatics.jax.org


Inzuchtzunahme

Van Zutphen LFM et al. (1995) Grundlagen der Versuchstierkunde. G. Fischer Verlag, Stuttgart

Generationen

Zufallsverpaarung: 5 Zuchtpaare

Zufallsverpaarung: 80 Zuchtpaare

Inzuchtk

oeff

izie

nt

(%)

Bruder Schwester-Verpaarung

0 5 10 15 20

100 80 60 40 20 0


Zuchtverfahren: Inzuchtstamm

20 Generationen Paarung Bruder x Schwester

Maximale und schnellstmögliche (natürliche) Verarmung

des Genoms

Phänotyp: Inzuchtdepression


Inzuchtdepression

Wachstum und Konstitution

Fertilität

Lebensdauer


Hamilton BA, Frankel WN (2001) Cell 107, 13-6

Inzuchtstämme

Reduzierte genetische Komplexizität und Variabilität

Beschleunigte Spaltung des multifaktoriellen Erbguts

Stammspezifischer Phänotyp, KEIN speziesspezifischer Phänotyp


Nomenklatur der Inzuchtstämme

Begründet auf Fellfarbe: C57BL → a/a nonagouti (black)

Begründet auf Herkunft: SJL → Swiss, Jim Lambert

Begründet auf Phänotyp: NOD → Non-Obese Diabetic

Unterstämmen durch genetische Drift erfordert Zusatz des Laborcodes

zum Inzuchtnamen:

C57BL/6J → C57BL/6JOlaHsd mit (Deletion in Synuclein alpha)

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Hybrid-Stamm

Entstehung durch die Verpaarung zweier unterschiedlicher

Inzuchtstämme (Outcrossing)

Ziel: maximale Heterozygotie bei konstanter Uniformität

Phänotyp: Heterosis-Effekt

Keine Vorhersagbarkeit der Elternmerkmale

Beispiel:

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D2B6F1 DBA/2 Weibchen x C57BL/6 Männchen ≠

B6D2F1 C57BL/6 Weibchen x DBA/2 Männchen


Abkürzungen für Bezeichnung der Hybride

Anerkannte Abkürzungen der Elternstämme

Beispiele: BALB/c

DBA/1

DBA/2

C3H

C57BL/6

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C

D1

D2

C3

B6


F2-Hybride

Verfahren: Verpaarung von F1-Hybriden

Ziel: Konstante Variabilität

Phänoptyp: Mosaikpopulation

Beispiel:

D2B6F2 D2B6F1 Weibchen x D2B6F1 Männchen

B6D2F2 B6D2F1 Weibchen x B6D2F1 Männchen

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Coisogene Stämme

Durch Mutation und anschließende Separation vom Hintergrundstamm

Ideale Modelle zur Analyse der Phänotypen, die durch Mutationen oder

genetische Veränderungen ausgelöst wurden

Interessierendes Allel verschieden, genetischer Hintergrund gleich

Sollten durch B x S-Verpaarung propagiert werden

Bezeichnung: Bsp. NOD.CB17-Prkdcscid/NcrCrl

Mutation nicht in homozygoter Form erhalten: C3H/HeJ-md/+

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Congene Stämme

durch wiederholtes Rückkreuzen über mindestens

10 Generationen auf einen Inzuchtstamm

anschließende BxS-Verpaarung

„Verdrängungskreuzung“

Interessierendes Allel gleich, genet. Hintergrund

verschieden (i.d.R. 10 Rückkreuzung)

Bezeichnung: Symbol des Empfänger- und des

Donorstammes, getrennt durch einen Punkt; das

differenzierende Allel kursiv, durch einen

Bindestrich separiert, angehängt.

Bsp.: B10.129-H12b; B10.HTG-H2g

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Quelle:www.genenetwork.org


Rekombinante Inzuchtstämme (RI)

Erst Outcroosing zweier etablierten Inzuchtstämme

Intercrossing der F1 Hybride

Zufällige Verpaarung der F2-Hybride

→ jedes paar Begründer eines neuen Inzuchtstammes

20 Generationen Geschwisterverpaarung mit den Nachkommen jedes

F2-Paares

Bezeichnung: Trennung der Parenteralstämme durch ein X

Bsp: C57BL/6J X Balb/c

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Nomenklatur der Gene

Ein Gensymbol soll:

Aus 3-5 Zeichen bestehen

Nur römische Buchstaben und arabische Zahlen beinhalten

Mit einem Großbuchstaben beginnen, gefolgt von Kleinbuchstaben

Keine Gewebespezifizierung oder Molekulargewichte beinhalten

Kursiv geschrieben werden

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Nomenklatur der Allele

Beginnen mit Buchstaben

Bestehen aus alphanumerischen Zeichen

Stehen hochgestellt hinter Genbezeichnung

Werden kursiv geschrieben

Groß-Klein-Schreibung reflektiert Vererbungsmodus: Dominant-Rezessiv

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Genotyp Phänotyp

D / D betroffen

Dominant D / + betroffen

+ / + nicht betroffen

r / r betroffen

rezessiv r / + nicht betroffen

+ / + nicht betroffen


Nomenklatur für transgene Mäuse

FVB/N-Tg(Ins1-GAS)1Sbr/J

FVB/N: genetischer Hintergrund Stamm

Tg: Transgen

(Ins1-GAS): offizielles Gensymbol der inserierten DNA

Anmerkung: die Bezeichnungen der Promotoren (Ins1, insulin 1) werden

bei Linien hinzugefügt, die sich durch gewebespezifische Expression

unterscheiden.

1: Founder Linien Nummer

Sbr: Labor Code des Ursprungslabors

- Stephen Brand, Massachusetts General Hospital

J: Labor Code des Tierzüchters

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Literatur

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Typen gentechnisch veränderter Tiere, GV-SOLAS

Genetik und Zucht, Kurt Reifenberg, Uni Mainz

Biologie, Neil A. Campbell und Jane B. Reece

Zucht und Genetik von Versuchtieren, Reinhart Kluge

Einführung in die Internationale Nomenklatur, Jutta Davidson (Charles River)

FELASA-B-Kurs, Vortrag von Prof. Berhard Aigner

Tier-Biotechnologie, Hermann Geldermann

www.jax.org

www.wikipedia.de

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VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT

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