脳科学辞典(キンカチョウから転送)これは、このページの承認済み版であり、最新版でもあります。モデル動物は動物実験に役立つ動物とされ、動物実験の大きな目的は得られたデータをヒトヘ当てはめる外挿である。実験動物とヒトと間の正常な形質の比較が主であった。近年では遺伝子工学の発展に伴い、ヒトの疾患の原因や成因の究明、症状や病態の解析、診断や治療法の確立のために利用される疾患モデル動物を用いた研究が多く行われている。疾患モデル動物の研究成果を効果的にヒトヘ外挿することを考えるとき、まず、遺伝子配列部位の相違、変異遺伝子の機能変化の相違、病態の相違の解明、に加え動物種差を考慮する必要がある。個々のモデル動物を用いてヒトの形質との相違についての全てを解明するには多くの時間と努力が必要であるが、これらの一つ一つの知見をデータベース化し研究者に提供できるようにすることは、モデル動物の研究成果のヒトヘの外挿に大きな力となると思われる。モデル動物を使用する際の研究コストには、各種モデル動物を専門業者から入手するための購入費用や飼育環境を維持するための飼育費用などがある。モデル動物の価格は、一般的なマウスやラットは1匹あたり数百円〜数千円程度であるのに対し、コモンマーモセットやアカゲザルなどのサル類は1頭あたり30~50万円程度である。線虫やショウジョウバエなどは飼育・保管のために必要なスペースは少なくて済み実験室の一区画での飼育が可能であるが、マウスやラットを飼育するためには、専用の飼育室や飼育ラックを準備する必要がある。サル類ではさらに広い飼育スペースが必要となり、専門の飼育技術を持つ飼育技術者を準備する必要がある。このように動物実験では必要となる研究コストや飼育スペースの確保を考慮し使用するモデル動物を選択する必要がある。される動物のことであり、動物実験に利用される。動物実験では、いくつかの群を比較しその違いが優位であることを統計学的に示す必要があり、1つの群には複数の動物を使用する。同じ群に含まれる動物に個体差がある場合は同じ群の中で個々の動物の実験結果に差異が生じ、群同士の比較を行った際に、その結果が群の違いによるものであるかどうかの判別が不可能となる。そのため再現性の高い動物実験の結果を得るためには、実験動物の遺伝的背景をコントロールする場合がある。遺伝的背景のコントロールの違いによりマウスやラットでは近交系とクローズドコロニーの二つに大別される。99%以上となり系統内のすべての個体はほぼ同じゲノム配列をもつ。近交系を用いた遺伝子機能解析では再現性の高い実験が可能であり、遺伝子改変動物の背景系統として近交系は広く利用されている。クローズドコロニーは5年以上外部からの個体の導入がなく、一定の集団内のみで繁殖を続けている動物群であり、集団内での遺伝的な隔たりが生じないように、世代ごとの計画的なランダム交配により維持されている系統である。各個体の遺伝的性質にはばらつきはあるが、系統としては固有の遺伝的性質を示すため、個体としてではなく群として扱う薬物の検定試験などに適している。マウスやラットでは遺伝的背景のコントロールの違いにより多くの系統が樹立されており、動物実験に供される系統の選択がその後の実験結果や精度に大きく影響するので、系統の選択は非常に大切である。この一方でマウスやラット以外の実験動物、例えばサル類(コモンマーモセット、カニクイザル、アカゲザルなど)などでは遺伝的背景のコントロールは殆んどされていない。実験動物の飼育環境も動物実験の成績に大きな影響を与えるためそのコントロールは非常に大切である。飼育環境を均一にするためには特に、環境因子(温度、湿度、換気など)、栄養因子(飼料、飲料水など)、生物因子(感染性微生物など)への注意が必要である。遺伝子の機能を個体レベルで解析する系として多数作られており、生命現象の解明に極めて有用な実験動物である。遺伝子改変動物には、突然変異による特定の遺伝子や染色体の異常に伴い様々な異常を示す自然発症動物と人為的に遺伝子操作を行って塩基配列に変異を導入する遺伝子組換え動物がある。自然発症動物は、偶発的に生じた異常形質を持つ個体を系統化することで多くの疾患モデル系統が樹立されている。外来遺伝子を人為的に挿入した遺伝子組換え動物であるトランスジェニックマウス作出の最初の報告は、1980年のGordonらによる現在も主流となっているマイクロインジェクション法によるものである[1]。1982年にはメタロチオネインプロモーターでラット成長ホルモン遺伝子をマウスで発現させたことにより巨大化したトランスジェニックマウスがPalmiter、BrinsterらによりNature誌で発表された[2]。この論文は人為的に導入された外来遺伝子が生体内で機能することを初めて具体的に示した例でもある。誌上で報告されている[3]。次に内在遺伝子の機能が無効化されたマウスであるノックアウトマウスの作製が報告された。最初のノックアウトマウスは、2007年にノーベル生理学・医学賞を受賞したEvans、Capecchi、Smithiesらの相同組換え法の応用により1988年に誕生した[4]。遺伝子組換え動物はマウスでは次々と作製され遺伝子機能の研究が大いに発展した。2009年にウイルスベクターを応用した霊長類初の遺伝子組換え動物としてトランスジェニックマーモセットの作製がNature誌に報告された[5]。動物を利用して情報を得る実験のことである。動物に何らかの処置を加え、その処置に対する反応を統計学的に比較検討して情報を得る。2005年「動物の愛護及び管理に関する法律」改正時に動物実験の倫理原則である3Rが追加された。3Rは下記の3種類の単語の頭文字Rから由来し、動物福祉の視点から実験動物の取扱いには十分な配慮が必要であり、3Rを十分に考慮した動物実験の計画を立てる必要がある。vitro実験への代替、マウスなどの脊椎動物から線虫やショウジョウバエなどの無脊椎動物への代替、カニクイザルなどのヒトに近い霊長類からマウスなどの齧歯類への代替など、動物実験を計画する際には代替方法を検討する。Reduction(使用動物数の削減)動物実験を計画する際、必要以上の実験動物を用いていないかどうかを検討し、使用する動物数はできる限り少なくする。Refinement(苦痛の軽減)動物実験を行う際には、必要に応じた麻酔処置や適切な安楽死処置を行い実験動物に耐えがたい不要な苦痛を与えない。elegans)は、分類学上は線形動物門に属する。成虫の体長は約1mmで雌雄同体である。染色体数は2n=12、ゲノムサイズは0.1Gb、遺伝子数は約20000個である。生活史は一世代約3日で、孵化後1日以内で交尾可能となり、成虫の寿命は約2週間である。多細胞生物として初めて全ゲノム配列が解読された種である[14]。電子顕微鏡での解析により神経細胞同士の接続関係が調べられている[15]。ネットワーク、行動遺伝学、RNAiなどの研究に使用される。イメージングが可能である全ての神経細胞が同定されている。melanogaster)が研究によく用いられている。mm、体重は約1mgである。染色体数は2n=8、ゲノムサイズは0.14Gb、遺伝子数は約15000個である。生活史は産卵から羽化まで10日で、羽化後1日以内で交尾が可能となり、寿命は約2か月である。メスの産卵数は1匹当たり500個以上である。多細胞生物としては線虫に次いで二番目に全ゲノム配列が解読された[16]。発生学、生理学などの研究に使用される。夜(暗期)には哺乳類の睡眠に類似した行動を示すサーカディアンリズム(概日周期)を刻み、この周期が変化する変異体が得られている[17]。記憶・学習に関係する遺伝子が同定されており[18]記憶や学習に関与する脳神経回路の解析に用いられている。bleekeri)は、分類学上は軟体動物門ヤリイカ科に属するイカの一種である。イカ類は飼育が非常に難しいとされていたが、1975年に人工飼育が成功し実験動物としての利用が容易となった。laevis)は、分類学上はピパ科クセノプス属のカエルの一種である。染色体数は2n=36。生活史は世代期間が1〜2年、卵から生まれた後幼生から1.5〜2ヶ月程度で変態し成体となる。変態に関与する内分泌系の研究や、発生学などの研究に利用されている。アフリカツメガエルの卵母細胞はタンパク質翻訳系として用いられ、パッチクランプ法などの電気生理実験を組み合わせて、カルシウムチャネル[21]などのチャネル分子やアセチルコリン受容体[22]などの受容体分子の同定がなされている。染色体数は2n=50、ゲノムサイズは1.7Gb、遺伝子数は約25000個である。生活史は世代期間が約3ヵ月で産卵後3〜4日で孵化し、寿命は約5年である。産卵数は1日で50〜100個である。パターン形成などの研究に使用されている。2013年に全ゲノム解読が完了[23]し、胚の観察や遺伝子改変が比較的容易であることから、様々なトランジェニックゼブラフィッシュが作製され研究に利用されている[24]。guttata)はスズメ目カエデチョウ科に分類される鳥の一種で、体長は10~11cmで体重は10〜16gである。染色体数は2n=80。性成熟は3ヶ月、1回の産卵数は5~6個、排卵日数は約16日、巣立ちには約21日かかり、寿命は約5年である[25]。キンカチョウは歌を歌う鳥として、発声学習の研究に適したモデル動物として用いられている。2013年にオスのキンカチョウの全ゲノム解読が報告されている[26]。遺伝子組換えキンカチョウを用いた実験も行われている[27]。musculus)が該当する。成熟マウスの体重は約20〜30gで寿命は約2年である。染色体数は2n=40、ゲノムサイズは2.5Gbである。性周期は約4日で1年中繁殖が可能である。妊娠期間は約19日、1回の産子数は5〜9匹、哺乳期間は約3週間である。40〜50日で性成熟し繁殖が可能となる[28]。ゲノム解析が2002年に完了している[29]。基礎生物学や、病因病態の究明や創薬・治療法の開発など幅広い研究に使用され、実験動物として一番多く使用されている。norvegicus)が該当する。成熟ラットの体重は雌200〜400g、雄で300〜700gと雌雄で倍近い差があることが特徴である。染色体数は2n=42、ゲノムサイズは2.75Gbである。性周期は平均4日で1年中繁殖が可能である。日、1回の産子数は6〜14匹、哺乳期間は約3週間である。基礎生物学や、病因病態の究明や創薬・治療法の開発など、マウスと同様に広く実験動物として利用されている。ゲノム解析が2004年に完了している[31]。近年ではゲノム編集の技術を応用した遺伝子組換えラットの作製が報告されている[10]。glaber)は、ハダカデバネズミ属に分類される齧歯類である。体長8~9cm、尾長3~4.5cm、体重30~80gで、体表には細かい体毛しか生えておらず地中で生活する[32]。2011年に全ゲノムの解読が報告されている[35]。cuniculus)はウサギ目ウサギ科に分類される。実験動物としてはカイウサギがよく使用されている。体長は約50〜70cm、体重は約4〜7kgである。染色体数は2n=44、ゲノムサイズは約3.5Gbである。明確な性周期はないが、多くの場合は3〜12日の間隔で繰り返されると考えられている。妊娠期間は30〜35日で1回の産子数は1〜10頭である。生後約4〜5ヶ月で性成熟し、繁殖が可能となる[36]。研究などに使用される。トランスジェニックウサギの作製が行われ、研究に利用されている[37]。domesticus)はイノシシ属に分類される。実験動物としての小型ブタとして開発され、体長は約50〜90cm、体重は約40〜70kgである。染色体数は2n=38、ゲノムサイズは約2.7Gbである。性周期は約21日で1年中繁殖が可能である。妊娠期間は約110〜120日で1回の産子数は4〜6頭である。生後約6ヶ月で性成熟し繁殖可能となる[38]。jacchus)は、霊長目オマキザル科(Cebidae)マーモセット属に含まれる。成体での体長はオスで17〜22cm、メスで15〜24cm、尾の長さは24〜40cm、体重がオスで200〜400g、メスで200〜300g程度で、寿命は10〜15年である。染色体数は2n=46、ゲノムサイズは約3Gbである。妊娠期間は約5か月、周年繁殖で年間2回出産し、1産で2〜3頭を出産する。基礎生物学に広く使用されている。2014年にはメスのコモンマーモセットの全ゲノム解析が報告されている[41]。専門の飼育技術者が必要である系統化されていないため個体差が大きいヒトに近縁であるため生命倫理に問題があるマカク属サルマカク属は霊長目オナガザル科(Cercopithecidae)に含まれる。実験動物としては、主にカニクイザル、アカゲザル、ニホンザルが使用されている。染色体数は2n=42、ゲノムサイズは約3Gb、遺伝子数は約20000個である。世代期間は約5〜20年で妊娠期間は160〜170日、1産1子である。幅広く研究に使用されている。fascicularis)はインドネシア、フィリピンなどの東南アジアに生息する中型のサルで、輸入された個体が研究に利用されている。成体での体長はオスで41〜65cm、メスで39〜50cm、尾の長さはオスで44〜66cm、メスで40〜55cm、体重はオスで3.5~8.3kg、メスで2.5~5.7kgである[43]。安全性試験やワクチンの検定試験など広範囲に利用されている。2012年に全ゲノムの解読が完了している[44]。mulatta))はインド、中国などのアジア地域を生息し、腰、足、尾の付け根部分が赤褐色をしている中型のサルで、輸入された個体が研究に利用されている。成体での体長はオスで48〜64cm、メスで47〜53cm、尾の長さはオスで20〜31cm、メスで19〜28cm、体重はオスで5.6~10.9kg、メスで4.4~10.7kgである[43]。カニクイザルと同様に広範囲な研究分野に用いられている。2007年に全ゲノムの解読が完了している[45]。fuscata)は日本固有種で、学習能力が高く、他種マカクザルに比べて遺伝変異性が低い。成体での体長はオスで54〜61cm、メスで47〜60cm、尾の長さはオスで8〜12cm、メスで7〜10cm、体重はオスで11.1~18kg、メスで8.3~16.3kgである[43]。ナショナルバイオリソースプロジェクトより国内で繁殖された個体が研究に利用されている。ニホンザルは日本原産のサルであるため、国内では古くから研究に使用されている。ニホンザルの本格的な研究は、戦後間もないころに京都大学の今西錦司らにより始められた。宮崎県の幸島や大分県の高崎山に生息していた野生のニホンザルを観察し、社会集団の構造の存在を実証した。1950年代には野生ザルの餌付けに成功し、より詳細な観察が可能となった。観察の中で、餌として与えた芋を海水で洗い、汚れを落としてから食べる行動が見られた。この行動が最初は同年代の仲間へ、次に上の年代へと広がりを見せ、さらには子や孫にも受け継がれた。この芋洗い行動は人間以外の動物にも文化があるという説の根拠となり、その文化が世代を越えて伝わっていくことが発見された。このようなニホンザルでの社会集団の構造や文化的行動の発見は、その後の霊長類研究に大きな影響を与えた。日本でのニホンザルを用いた高次脳機能研究は1960年代から始まり、1980年代にはニホンザルが特に神経科学の分野で重要な実験動物の1つとして取り扱われていた。そのため1900年代から2000年代にかけて、日本人による研究成果がニホンザルを使用した多くの論文として発表されている[46]。日本では有害鳥獣として捕獲された野生のニホンザルの一部を実験動物として使用していたが、2000年頃から状況が変わり国内の野生ザルを実験に使用することで生態系が乱れるという意見が出されたため、実験に野生ザルを使用することが出来なくなった。そのため2006年を境にしてニホンザルを使用した研究に関する論文数は減少している。現在ではナショナルバイオリソースプロジェクトニホンザルによる実験動物としての繁殖供給や、広報、教育などを目的とした活動が進められている。ナショナルバイオリソースプロジェクトナショナルバイオリソースプロジェクトは、ライフサイエンス研究の基礎・基盤となるバイオリソースについて収集・保存・提供を行うとともに、バイオリソースの質の向上を目指し、ゲノム情報等の解析、保存技術の開発などを行い、バイオリソースのための体制整備を行う国家プロジェクトであり、2002年より実施されている。線虫、ショウジョウバエ、ゼブラフィッシュ、マウス、ラット、ニホンザルなどの実験動物のバイオリソースは、ナショナルバイオリソースプロジェクトより入手することが可能である。脳神経細胞は単独では複雑な高次機能を発揮することはできず、個々の神経細胞が軸索を伸ばして他の多くの神経細胞とシナプスを介して結合することによって神経回路を形成し、記憶や情動などの高次脳機能を担っている。そのため神経回路の機能を解明するには遺伝子や細胞のレベルの研究だけでは不十分であり、実際に生体を用いて経時的に考察ができる動物実験が脳機能の理解のためには欠かすことができない。無脊椎動物を用いた神経回路の研究では、全ての神経細胞が同定され神経細胞同士の接続が調べられている線虫、非常に太い神経線維と巨大なシナプスを持っているヤリイカ、母体外で発生するため発生過程を直接観察できるアフリカツメガエル、などが用いられている。鳥類は鳴くことで音声コミュニケーションをとっていると考えられており、その中でもキンカチョウは、幼鳥は親鳥の鳴き声をもとに発声練習をしてさえずりを学習することが調べられており、音声コミュニケーションでの社会性行動やさえずりの学習能力に関するモデル動物として有用であると考えられている。脳神経に直接処置を加えて調べる長期増強などの電気生理学的実験や記憶や情動などの高次脳機能や運動機能を調べる行動学的実験などでは、マウス、ラット、マカク属サルなどがよく用いられている。うつ病様行動を評価する強制水泳実験装置やテールサスペンションテスト装置、総合失調症を評価するプレパルスインヒビションテスト装置、概日リズムの評価を行う回転かご走行試験装置などがある。ヒトの病気に類似した疾患を呈する実験動物は疾患モデル動物とよばれる。疾患モデル動物の原因遺伝子の特定とその機能解析は、疾患モデル動物の有用性に大きく関わる。