Eine Übersicht über den Modellorganismus Caenorhabditis elegans

An Introduction to <em>Caenorhabditis elegans</em>

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Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

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JoVE Science Education Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

An Introduction to Caenorhabditis elegans

3.2: Drosophila Maintenance

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09:13 min

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May 10, 2013

Overview

Caenorhabditis elegans ist ein mikroskopischer, in der Erde lebende Flachwurm, der als leistungsstarker Modellorganismus seit den frühen 1970er Jahren benutzt wird. Er ist ursprünglich wegen seines gleichbleibenden Körperplans, der einfachen genetischen Manipulation, und der kostengünstigen Haltung als Modell für die Entwicklungsbiologie verwendet worden. Seit dem hat sich C. elegans schnell in einen populären Modellorganismus entwickelt, der heute in vielen Forschungsfragen verwendet wird, welche von den Mechanismen, die den Bewegungsapparat steuern, bis hin zu dem neuronalen Kreislauf reichen.

Dieses Video stellt eine Übersicht über die C. elegans Biologie, eine Zeitachse der vielen Meilensteine in der kurzen aber ereignisreichen Geschichte, und letztlich ein paar aufregende Anwendungen von C. elegans als Modellsystem, zur Verfügung.

Procedure

Caenorhabditis elegans, oder Würmer für die Wissenschaftler, die sie erforschen, haben die Art und Weise wie wir genetische Untersuchungen betrachten, um zu verstehen wie Gene zelluläre Aktivitäten regulieren, revolutioniert. Die einfache Genetik des Wurms, sein durchsichtiger Körper und seine einfache Haltung machen ihn ein ideales System, um die embryonale Entwicklung, neuronale Funktionen, Lebensspanne und Altern und die molekulare Grundlage von menschlichen Krankheiten zu untersuchen.

Zuerst lernen wir mehr über C. elegans als Modellorganismus. Caenorhabditis elegans gehört zu dem Stamm der Fadenwürmer im Tierreich. C. elegans sind multizelluläre Organismen, die etwa 1 mm lang sind. Sie haben längliche, zylinderförmige Körper ohne Segmentierungen oder Anhänge. Die Würmer haben während ihres ganzen Lebenszyklus einen durchsichtigen Körper und existieren als Hermaphroditen oder Männchen. Die Hermaphroditen können sich entweder eigenständig befruchten oder mit Männchen paaren.

Fadenwürmer leben hauptsächlich in der Erde, wo ein konstantes Feuchtigkeits- und Sauerstoffniveau herrscht.

Im Labor werden sie auf agarosehaltigen Petrischalen auf einer Schicht der Bakterien E. coli gehalten.

Die Lebensspanne eines Wurms beträgt etwa 14 Tage. Sie entwickeln sich in 4 Larvenstadien, die L1 bis L4 genannt werden, wenn sie von einem Ei zu einem eilegenden Erwachsenen heranwachsen. Die Entwicklung der Würmer wird durch die Temperatur beeinflusst, und im Labor werden sie normalerweise bei 15°C, 20°C oder 25°C gehalten.

Nun dass wir uns die Grundlagen von C. elegans angeschaut haben, behandeln wir weshalb sie so ein wertvoller Modellorganismus sind. Erstens ist es relativ preiswert und einfach Würmer in festem oder flüssigem Medium zu halten.

Zweitens bleiben sie während ihres gesamten Lebenszyklus durchsichtig, wodurch die ganze Anatomie des Wurms mit dem Lichtmikroskop untersucht werden kann. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig, um die Entwicklung des Wurms zu untersuchen, da einzelne Zellabstammungslinien einfach nachverfolgt werden können. Wegen der Transparenz kann man auch fluoreszente Reporter, wie zum Beispiel das grün fluoreszierende Protein, in lebenden Würmern anschauen.

Drittens sind C. elegans sehr fruchtbar. Hermaphroditen können nach der Selbstbefruchtung etwa 300 Eier legen. Es ist also einfach große Mengen an Würmern zu erhalten. Außerdem erreichen Würmer ihre Geschlechtsreife in 3.5 Tagen bei 20°C.

Viertens kann man Würmer einfach genetisch modifizieren. Durch die Untersuchung von Mutationen können Wissenschaftler Einblicke in die Funktion der Gene erlangen. Mutationen können einfach in Würmer durch die Behandlung mit Chemikalien und UV Strahlung eingefügt werden. Hochdurchsatz, genom-weite Screens können mit Würmern einfach auf 96-Multiwellplatten durchgeführt werden. Dadurch kann man mehrere Gene gleichzeitig auf ihre Beteiligung an einem bestimmten biologischen Phänomen oder Verhalten untersuchen. Das C. elegans genetische Zentrum (CGC) unterhält eine große Lagerstätte mit vielen Mutanten, auf welche Wissenschaftler gegen ein kleines Entgelt zugreifen können.

Fünftens war C. elegans der erste multizelluläre Organismus wessen Genom komplett sequenziert worden ist. Die komplette Sequenz und die detaillierte Chromosomenkarte haben genetische Analysen einfacher und billiger gemacht. Die Sequenzanalyse hat gezeigt, dass viele Gene zwischen Menschen und Würmern konserviert sind.

Letztlich und zusätzlich zu all diesen Vorteilen ist die Wurm-Wissenschaftler Gemeinschaft sehr freundlich, und hat viele hilfreiche online Ressourcen entwickelt, um Würmer zu untersuchen.

Bei so vielen Eigenschaften, die C. elegans ein attraktives Modellsystem machen, ist es kein Wunder, dass einige wichtige Entdeckungen durch die Erforschung des Wurms gemacht wurden. Schauen wir uns einige davon an. Im Jahr 1963 hat Sydney Brenner C. elegans als Modellsystem eingeführt, um die Funktion von Genen zu untersuchen. Im Jahr 1974 hat er die Ergebnisse dieses genetischen Screens veröffentlicht, in welchem sichtbare phänotypische Veränderungen, wie ein plumper Körper, unkoordinierte Bewegung, und Transformaten untersucht worden sind. Im Jahr 1976 hat John Sulston (der mit Brenner gearbeitet hat) eine komplette Zellabstammungslinie von C. elegans veröffentlicht. Er hat die Herkunft von jeder sich teilenden und differenzierenden Zelle untersucht und entdeckt, dass die ersten fünf Zellteilungen sechs Gründerzellen ergeben, die sich differenzieren und schließlich alle differenzierten Gewebe in dem Organismus ausmachen. Im Jahr 1986 hat Robert Horvitz seine bahnbrechende Arbeit, die Entdeckung der „Gene des Tods“ veröffentlicht. Wenn Zellen sich teilen und differenzieren, werden einige Zellen durch die Aktivierung der „Tod-Gene“ ausgesondert, was wichtig für die normale Entwicklung des Wurms und von anderen Organismen ist. Seine Arbeit an dem programmierten Zelltod, auch Apoptosis genannt, hatte eine große Wirkung auf unser Verständnis von entwicklungsbiologischen Ereignissen in Säugetieren, in Krebs, und bei neurodegenerativen Krankheiten. Im Jahr 2002 haben Sydney Brenner, John Sulston und Robert Horvitz den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für ihre bahnbrechende Arbeit in C. elegans erhalten.

Im Jahr 2006 haben Andrew Fire und Craig Mello den Nobelpreis für Physiologie und Medizin für ihre bahnbrechende Arbeit an der RNA Interferenz, auch RNAi genannt, bekommen, welche ein Prozess ist, bei dem Gene durch die Degradierung von spezifischen mRNA Molekülen ausgeschaltet werden. Die RNAi wird derzeit für therapeutische Anwendungen weiterentwickelt.

Im Jahr 2008 hat Martin Chalfie den Nobelpreis für Chemie gewonnen, für die Exprimierung des grün fluoreszenten Proteins (oder GFP) als floureszentes Reportergen in C. elegans. Seit dem wurde GFP in allen bekannten Modellorganismen verwendet.

Als Modellorganismus kann C. elegans benutzt werden, um viele wichtige wissenschaftliche Fragen zu beantworten.

Zum Beispiel sind Würmer ein sehr geeignetes System um Neurobiologie zu erforschen. Auch wenn die Würmer nicht wirklich ein Gehirn haben, haben sie ein ziemlich hochentwickeltes Nervensystem, dass aus 302 Neuronen, also fast einem drittel aller Zellen die in erwachsenen Hermaphroditen vorhanden sind, besteht. Die Würmer reagieren auf Umweltsignale, wie zum Beispiel die Verfügbarkeit von Essen, der Populationsdichte, oder Chemikalien wie chemische Anziehungsstoffe. Zusätzlich zu den genetischen Screens haben die Laserabtragung, also das selektive Entfernen von Neuronen mit Laserstrahlung, und die Elektrophysiologie dazu beigetragen, dass wir verstehen wie Neuronen funktionieren und miteinander in multizellulären Organismen kommunizieren. Um genau zu sein konnte die ganze Verbundenheit des C. elegans Nervensystem ermittelt werden.

Würmer sind auch die optimale Wahl für die Erforschung des Alterns. Die kurze Lebensspanne des Wurms ermöglicht es Forschern genetische Screens ausführen, um Gene zu identifizieren, welche die Langlebigkeit beeinflussen. Auch wenn viele dieser Gene in Menschen ebenfalls vorhanden sind, wissen wir bisher nicht, ob sie auch unsre Lebensspanne verlängern können.

Die Wurmforschung hat auch unser Verständnis von menschlichen Krankheiten verbessert. Fluoreszente Reporter sind in Würmern benutzt worden, um die Aggregation, also die Verklumpung von falsch gefalteten Proteinen, wie alpha-synuclein, zu simulieren. Diese Aggregate führen zu der Degenerierung von Neuronen, was zu Bewegungsdefiziten führt. Genetische Screens in Würmern haben geholfen Gene zu identifizieren, welche den Verlust von Neuronen in neurodegenerativen Krankheiten, wie Parkinson’s oder Alzheimer, aufhalten.

Das war die Einführung in Caenorhabditis elegans von JoVE. In diesem Video haben wir uns die Gründe und Eigenschaften, weshalb der Wurm so ein wertvoller Modellorgansimus ist, angeschaut. Dieser winzige Wurm, mit seiner einfachen Genetik und seinem kleinen Nervensystem, hat uns geholfen viele Aspekte der menschlichen Entwicklung, des Verhaltens, Alterns und Krankheiten, besser zu verstehen. Danke für eure Aufmerksamkeit, und viel Glück bei eurer C. elegans Forschung.

Transcript

Caenorhabditis elegans, or “worms” to the scientists who study them, have revolutionized the way we approach genetic studies to understand how genes regulate cellular activities. The worm’s simple genetics, transparent body, and ease of cultivation makes them an ideal system for studying embryonic development, neuronal functions, lifespan and aging, and molecular basis of some human diseases.

First, lets get to know C. elegans as a model organism. Caenorhabditis elegans belongs to the phylum Nematoda of the animal kingdom. C. elegans are multicellular organisms that are approximately 1 mm long. They have elongated cylindrical body with no segmentation and no appendages. The worms have a transparent body throughout their life cycle, and exist as hermaphrodites and males. The hermaphrodites are capable of both self-fertilization and mating with males.

Nematodes live primarily in the soil with a constant level of moisture and oxygen

In the laboratory, they are cultured in agarose-containing Petri dishes on a lawn of the bacteria E. coli.

The life span of the worm is about 14 days. They go through 4 larval stages, L1 through L4, as they mature from an egg to an egg-laying parent. The development of worms is affected by temperature, and in the laboratory, they are cultured at 15 °C, 20 °C or 25 °C.

Now that we have reviewed C. elegans basics, lets learn what makes them a powerful model organism. First, it is relatively inexpensive and easy to culture worms on either solid or liquid medium.

Second, as they remain transparent throughout their life cycle, the entire worm anatomy is easily viewed by light microscopy. This attribute is particularly useful for studying worm development, as individual cell lineages can be easily traced. Transparency also allows fluorescent reporters, such as Green Fluorescent Protein (or GFP), to be easily viewed in live worms.

Third, C. elegans are very fertile; each hermaphrodite lays about 300 eggs following self-fertilization. Therefore, it is easy to obtain worms in large numbers. Also, worms reach reproductive maturity in only 3.5 days at 20 °C.

Fourth, worms are easy to manipulate genetically. By examining mutations, researchers gain insight into gene function, and mutations can be introduced in worms by treatment with chemicals and by exposure to UV radiation. High-throughput genome-wide screens are easy to perform with worms in 96 well plates. This allows numerous genes to be simultaneously screened for their involvement in a particular biological phenomenon or behavior. Also, the C. elegans genetic center, or CGC, maintains a large repository of mutants, which are available to researchers for a small fee.

Fifth, C. elegans was the first multicellular organism to have a completely sequenced genome. The complete sequence, and a detailed chromosomal map, has made genetic analysis faster and easier. Sequence analysis shows that many genes are conserved between humans and worms.

Finally, in addition to all these advantages, the worm research community is very friendly, and has developed many helpful online resources for studying worms.

Given all of the characteristics that make C. elegans such an attractive model system, it’s no wonder that many landmark discoveries have been made by studying worms. Lets take a look at some of them.

In 1963, Sydney Brenner decided to establish C. elegans as a model system, and used it to explore gene function. In 1974, he published the results of his genetic screen, which looked for visual phenotypes, such as dumpy body, uncoordinated movement, and transformers.

In 1976, John Sulston, who worked with Brenner, published a complete cell lineage of C. elegans. He followed the descent of every cell as it divided and differentiated and found that first five cell divisions produce six founder cells that differentiate to ultimately give rise to all of the different tissues in the organism.

In 1986, Robert Horvitz published his pioneering work on the discovery of “death genes.” As cells divide and differentiate, some cells are eliminated by activation of death genes for normal development of the worm and other organisms. His work on programmed cell death, or apoptosis, has had a big impact on our understanding of developmental events in mammals, cancer, and neurodegenerative diseases.

In 2002, Sydney Brenner, John Sulston and Robert Horvitz shared the Nobel Prize in Physiology and Medicine for their seminal work done in C. elegans.

In 2006, Andrew Fire and Craig Mello shared the Nobel Prize in Physiology and Medicine for their groundbreaking work on RNA interference, or RNAi, a process that results in silencing of genes via degradation of specific mRNA molecules. RNAi technology is currently being developed for therapeutic use.

In 2008, Martin Chalfie received the Nobel Prize in Chemistry for showing that the Green Fluorescent Protein (or GFP) could be expressed in C. elegans and used as a fluorescent reporter. Since then, GFP has been expressed in all of the major model organisms.

As a model organism, C. elegans can be used to answer many important scientific questions.

For example, worms are a highly convenient model system for studying neurobiology. Although, worms do not have a brain per se, they have a rather sophisticated nervous system comprised of 302 neurons — almost a third of the total 959 cells found in an adult hermaphrodite. The worms respond to environmental cues, such as availability of food, population density, or chemicals such as chemoattractants. In addition to genetic screens, laser ablation — that is, selective cutting of neurons with laser beams — and electrophysiology have led us to appreciate how neurons function and communicate in multicellular organisms. In fact, the entire connectivity of the C. elegans nervous system has now been mapped.

Worms are also an ideal choice for aging studies. The worm’s short life span has allowed researchers to conduct genetic screens for finding longevity genes. Although many of these genes are conserved in humans, we do not yet know whether or not they affect lifespan in people.

Worm research has also advanced our knowledge of human diseases. Fluorescent reporters have been used in worms to mimic aggregation; that is, the clumping of misfolded proteins, such as alpha-synuclein. These aggregates cause neurons to degenerate, resulting in motor deficits. Genetic screens in worms have helped to identify genes that prevent the loss of neurons in neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s and Alzheimer’s disease.

You just watched JoVE’s introduction to Caenorhabditis elegans. In this video, we reviewed the characteristics of C. elegans and the reasons that make worms a powerful model organism. This tiny worm, with its simple genetics and diminutive nervous system, has helped us to understand numerous aspects of human development, behavior, aging and disease. Thanks for watching, and good luck with your C. elegans research.