Entwicklung und Reproduktion von C. elegans

C. elegans sind anatomisch kleine und genetisch einfache multizelluläre Organismen mit einem unveränderlichen Entwicklungsmuster. Auch wenn andere Organismen, wie zum Beispiel Wirbeltiere variablere Entwicklungsprogramme unterlaufen, hat die Erforschung der Entwicklung und Fortpflanzung des Wurms geholfen wichtige Einblicke in die molekularen Mechanismen gegeben, welche die Entwicklung in vielen Arten, wie auch uns, leiten. Um erfolgreiche genetische Experimente auszuführen, ist es wichtig die Entwicklung und den Lebenszyklus des Wurms zu verstehen.

Zuerst behandeln wir die wichtigsten Aspekte der Wurm Entwicklung. Nach der Befruchtung ist das erste wichtige Ereignis eine asymmetrische Zellteilung, in welcher die posterior-anteriore Achse gebildet wird. Die dorsal-ventrale Achse wird zwischen dem Zweizell- und Vierzellstadium gebildet, und die links-rechts Ache wird kurz nach dem Vierzellstadium gebildet.

Sechs Gründerzellen erscheinen nach den ersten fünf Zellteilungen. Diese nennt man AB, MS, E, C, D und P4. Aus diesen vier Gründerzelllinien entstehen in jedem Wurm immer die gleichen spezifischen Gewebe. Die zellulären Nachkommen von AB werden schließlich zu Neuronen und dem Pharynxgewebe. MS wird zu Muskeln, dem Pharynx und zu Neuronen. Zellen, die von E abstammen werden zu Zellen des Verdauungstrakts. C Zellen werden zu Neuronen und der Haut. Zellen von der Gründerlinie D werden zu Muskeln der Körperwand. Aus den P4 Zellen entstehen schließlich die Keimzellen.

Zell-Zell Interaktionen sind wichtig um dies endgültigen Zellschicksale zu bestimmen. Die Interaktion zwischen ABp und P2 ist zum Beispiel wichtig damit Neuronen und Epithelzellen entstehen. Die Interaktion zwischen ABa und EMS ist wichtig für die Bildung der Zellen des Pharynx. Die Interaktion der posterioren Seite von EMS und P2 in dem Vierzellstadium ist wichtig, damit sich die E Zellen, welche von den EMS Zellen produziert wurden, in Zellen des Verdauungstrakts differenzieren kann.

Nach ein paar frühren Zellteilungen, wenn der Embryo etwa im 30-Zellstadium ist, wird das Wurmei gelegt. Weitere Zellteilungen lassen die Zellzahl größer werden und führen zu der Bildung von Organen. Letztendlich fängt der kleine Wurm an sich in der Schale des Eis zu bewegen. Kurz nachdem die Rachenhöhle mit dem Pumpen anfängt, schlüpft der Wurm.

Ein wichtiger Aspekt der C. elegans Entwicklung ist die Apoptose, auch als programmierter Zelltod bekannt, welche zu der Entsorgung von bestimmten Zellen führt. In der embryonalen Phase der Wurmentwicklung sterben 113 Zellen durch die Apoptose.

Nachdem wir uns die embryonale Entwicklung angeschaut haben, lernen wir mehr über den Lebenszyklus des neu geschlüpften Wurms. Der C. elegans Lebenszyklus besteht aus 4 Larvenstadien (L1, L2, L3, L4), nach welchen der Wurm erwachsen ist. Bei bestimmten Umweltbedingungen, wie zum Beispiel Nahrungsknappheit, kann ein Wurm in der späten L1 oder der L2 Larvenphase die Entwicklung anhalten und in eine alternative Entwicklungsphase eintreten, welche auch als Dauerphase bekannt ist. Würmer in dieser Phase können dort für mehrere Monate verweilen, aber wenn Nahrung wieder vorhanden ist, treten sie wieder in das normale Entwicklungsprogramm ein.

Würmer haben zwei Geschlechter: die sich selbst befruchtenden Hermaphroditen und Männchen. Die Hermaphroditen haben einen spitzen Schwanz und sie sind sowohl breiter als auch länger als gleichaltrige Männchen. Unter einem Seziermikroskop kann man die Männchen einfach an ihrem schlanken Körper unterscheiden. Der am sichtbarsten Unterschied ist jedoch der Schwanz des männlichen Wurms, welcher den Paarungskörper enthält.

Die Keimbahn der Hermaphroditen produziert sowohl Eizellen als auch Sperma. Die Männchen jedoch produzieren ausschließlich Sperma. Die Keimbahnen enthalten Stammzellen an der distalen Spitze, die sich an das proximale Ende verschieben, wo sie reife Geschlechtszellen bilden.

Durch Selbstbefruchtung können erwachsene Hermaphroditen genetisch identische Hermaphroditen mit zwei Geschlechtschromosomen produzieren. Manchmal kommt es zur Fehlsegregation, bei welcher die Trennung der zwei Chromosomen voneinander in der Keimlinie der Hermaphroditen nicht richtig funktioniert. Das führt zu männlichen Nachkommen mit nur einem Geschlechtschromosom. Höhere Temperaturen erhöhen die Wahrscheinlichkeit der unvollständigen Fehlsegregationen.

Die sexuelle Reproduktion ist eine Antriebskraft der genetischen Vielfalt. Auch wenn die Paarung nur sehr sporadisch stattfindet, ist die Selbstbefruchtung die primäre Fortpflanzungsmethode in C. elegans in der Natur. Eine wichtige Frage in der Wurm Biologie ist weshalb Männchen in der Evolution nicht ausgestorben sind.

Nun dass wir etwas über die C. elegans Entwicklung und den Lebenszyklus gelernt haben, schauen wie uns an wie wir dieses Wissen anwenden können, um genetische Kreuze anzusetzen. Aber bevor wir anfangen, ist es wichtig dass wir die Strategie sorgfältig planen.

Eine aseptische Arbeitsweise ist wichtig, um Verunreinigungen durch Bakterien und Pilze zu vermeiden. Die Platten sollten nicht austrocknen denn die Würmer könnten sonst nicht mehr auffindbar sein. An dem Tag, an welchem man eine Kreuzung ansetzt, stellt man mehrere Platten mit konzentrierten Bakterien in der Mitte der Platte her. Nun beschriftet man die Platten mit dem Namen des Stamms und dem Datum. Um ein Kreuz anzusetzen, nimmt man drei L4 oder junge Erwachsene Hermaphroditen und 12 L4 oder junge erwachsene Männchen und transferiert sie auf die Platte. Nun inkubiert man diese bei der angemessenen Temperatur und untersucht die Platte 4 Tage später auf Nachkommen. Wenn ca. 50% Männchen vorhanden sind, ist dass ein erstes gutes Zeichen dass die Kreuzung erfolgreich war. Nun wählt man von den Nachkommen L4 Hermaphroditen aus, da diese sich noch nicht mit den Männchen auf der Platte vermehrt haben. Man sollte sie genau beobachten und sehen, ob der zu erwartende Phänotyp dem Phänotyp den man sieht gleicht.

Den C. elegans Lebenszyklus und die Entwicklung zu verstehen hat uns geholfen einige grundlegende Fragen der Zellbiologie zu beantworten.

Die Apoptose in der Keimbahn ist in vielen Organsimen, einschließlich uns Menschen, ein grundlegender Aspekt in der Oogenese, Embryogenese und der Organogenese. Viele Aspekte der Regulierung der Apoptose sind zwischen uns Menschen und Würmern konserviert. Deshalb ist C. elegans ein ideales System, um zu verstehen weshalb so viele Keimzellen während der Oogenese in verschiedenen Arten sterben.

Die einzigen echten Stammzelllinien in C. elegans sind die Keimzellstammzellen an der distalen Spitze. Diese sind als Modell verwendet worden, um zu verstehen wie Stammzellnischen erhalten werden und wie sich Stammzellen zur Differenzierung entscheiden.

Viele parasitische Würmer, welche auch Menschen infizieren, haben mehrere Larvenarreststadien, die ähnlich der Dauerphase in C. elegans sind. Viele Getreidesorten in der Landwirtschaft sind von parasitischen Würmern befallen, die ihre Entwicklung anhalten. Ein besseres Verständnis des Dauerstadiums kann dazu beitragen bessere Therapien gegen diese Würmer zu finden.

Das war die Einführung in die Entwicklung und Reproduktion von C. elegans von JoVE. In diesem Video haben wir die embryonale Entwicklung, die Zellschicksalspezifizierung und den Lebenszyklus von C. elegans wiederholt. Die Forschung in diesen Bereichen hat uns geholfen Einblicke in die Mechanismen der Apoptose, von Stammzellen und infektiösen Würmern zu erhalten. Danke für eure Aufmerksamkeit, und viel Glück mit eurer C. elegans Forschung.