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Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

Introduction à Caenorhabditis elegans

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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: An Introduction to Drosophila melanogaster

3.13: Yeast Transformation and Cloning

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09:13 min

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April 30, 2023

Overview

Le Caenorhabditis elegans est un ver microscopique de forme ronde vivant dans la terre qui a été intensément utilisé comme organisme modèle depuis le début des années 1970. Il fut d’abord testé comme modèle pour la biologie du développement en raison de sa morphologie invariante, de son aptitude aux manipulations génétiques et de son faible coût d’entretien. Depuis lors, le C. elegans a rapidement gagné en popularité et est maintenant utilisé dans de nombreux travaux de recherche, de l’étude des forces motrices de locomotion à celle des circuits nerveux.

Cette vidéo donne un aperçu des bases de la biologie du C. elegans, un historique des nombreuses étapes de sa courte mais riche histoire, puis quelques exemples d’applications intéressantes qui l’utilisent comme organisme modèle.

Procedure

Les Caenorhabditis elegans, ou “vers” pour les scientifiques qui les étudient, ont révolutionné la manière dont nous approchons les études génétiques sur la façon dont les gènes régulent les activités cellulaires. La simplicité du matériel génétique du ver, son corps transparent et la facilité de sa culture font de lui un système idéal pour l’étude du développement embryonnaire, des fonctions neuronales, de la durée de vie et du vieillissement ainsi que des bases moléculaires de certaines maladies humaines.

Commençons tout d’abord, par nous familiariser avec les C. elegans comme organisme modèle. Les Caenorhabditis elegans appartiennent au phylum des Nématodes dans le règne animal. Les C. elegans sont des organismes multicellulaires d’environ 1 mm de long. Ils ont un corps cylindrique allongé sans aucune segmentation ni appendice. Les vers ont un corps transparent tout au long de leur cycle de vie et sont hermaphrodites ou mâles. Les hermaphrodites sont capables à la fois de s’autoféconder et de s’accoupler avec les mâles.

Les nématodes vivent essentiellement dans le sol avec un niveau constant d’humidité et d’oxygène.

En laboratoire, ils sont cultivés sur un lit de bactérie d’E. coli dans des boites de pétri contenant de l’agarose.

La durée de vie du ver est d’environ 14 jours. Ils passent par quatre stades larvaires, L1 à L4, à mesure qu’ils vieillissent de l’œuf jusqu’à l’adulte capable de pondre. Le développement des vers est sensible à la température et en laboratoire, ils sont cultivés à 15°C, 20 °C ou 25 °C.

Maintenant que nous avons présenté les bases du C. elegans, apprenons ce qui en fait un organisme modèle si puissant. Premièrement, la culture des vers en milieu solide ou liquide est relativement peu coûteuse et aisée.

Deuxièmement, comme les vers restent transparents tout au long de leur cycle de vie, l’anatomie du ver entier est facilement observable par microscope optique. Cela est particulièrement utile pour l’étude du développement du ver puisque les lignées cellulaires individuelles sont facilement suivies. La transparence permet également aux marqueurs fluorescents, tels que la protéine fluorescente verte (ou Green Fluorescent Protein – GFP), d’être facilement visibles dans les vers vivants.

Troisièment, les C. elegans sont très fertiles. Chaque hermaphrodite pond environ 300 œufs après autofécondation. Il est par conséquent facile d’obtenir des vers en grande quantité. De plus les vers atteignent la maturité sexuelle en seulement 3.5 jours à 20 °C.

Quatrièmement, les vers sont faciles à manipuler génétiquement. Par l’examen des mutations, les chercheurs acquièrent une connaissance de la fonction des gènes. Les mutations peuvent être introduites dans les vers par traitement chimique et par exposition aux rayons UV. Le criblage à haut débit sur l’ensemble du génome est facile à effectuer avec les vers en utilisant des plaques de microtitration à 96 puits. Ceci permet le criblage simultané de nombreux gènes pour connaitre leur implication dans un phénomène biologique ou un comportement particulier. Le Centre de génétique de C. Elegans (en anglais C. elegans genetic center ou CGC), entretient un grand nombre de mutants disponibles aux chercheurs pour une somme modique.

Cinquièmement, le C. elegans est le premier organisme multicellulaire dont le génome fut complètement séquencé. Le séquençage complet et une carte chromosomique détaillée ont accéléré et facilité l’analyse génétique. L’analyse des séquences montre que de nombreux gènes sont conservés entre les humains et les vers.

Pour finir et en plus de tous ces avantages, la communauté scientifique de recherche sur les vers est très conviviale et a développé de nombreux outils en ligne utiles pour l’étude des vers.

Compte tenu de toutes les caractéristiques faisant du C. elegans un système modèle si attirant, il n’est pas étonnant que de nombreuses découvertes historiques aient été réalisées grâce à leur étude. Jetons un coup d’œil à certaines d’entre elles.

En 1963, Sydney Brenner décida d’établir le C. elegans comme système modèle et l’a utilisé pour explorer la fonction des gènes. En 1974, il publia les résultats de son criblage génétique centré sur la recherche de phénotypes visuels tel qu’un corps courtaud, un mouvement non coordonné ou des changements de forme.

En 1976, John Sulston, ayant travaillé avec Brenner, publia une lignée cellulaire complète de C. elegans. Il suivit la descendance de chaque cellule au fur et à mesure qu’elle se divise et se différence. Il découvrit que les cinq premières divisions cellulaires produisent six cellules fondatrices qui se différencient pour générer ultimement la totalité des différents tissus de l’organisme.

En 1986, Robert Horvitz publia son travail de pionnier sur la découverte des « gènes de la mort ». Au fur et à mesure que les cellules se divisent et se différencient, certaines cellules sont éliminées grâce à l’activation des gènes de la mort. Ceci s’effectue pour le développement normal du ver et des autres organismes. Le travail de Horvitz sur la mort cellulaire programmée, ou apoptose, a eu une incidence majeure sur notre compréhension des étapes du développement chez les mammifères, pour le cancer, et pour les maladies neurodégénératives.

En 2002, Sydney Brenner, John Sulston et Robert Horvitz partagèrent le prix Nobel de physiologie et de médecine pour leurs travaux précurseurs sur le C. elegans.

En 2006, Andrew Fire et Craig Mello partagèrent le prix Nobel de physiologie et de médecine pour leurs travaux révolutionnaires sur l’interférence par ARN ou ARNi, un procédé conduisant à l’inhibition de gènes par dégradation de molécules spécifiques d’ARNm. La technologie d’ARNi est actuellement en développement pour des applications thérapeutiques.

En 2008, Martin Chalfie reçut le prix Nobel de chimie pour avoir démontré que la protéine fluorescente verte (Green Fluorescent Protein ou GFP) peut être exprimée dans les C. elegans et utilisé comme marqueur fluorescent. Depuis lors, la GFP a été exprimée dans tous les principaux organismes modèles.

L’organisme modèle de C. elegans peut être utilisé pour répondre à de nombreuses et d’importantes questions scientifiques.

Par exemple, les vers sont un système modèle très pratique pour l’étude de la neurobiologie. Bien que les vers n’aient pas de cerveau en eux-mêmes, ils ont un système nerveux assez sophistiqué comprenant 302 neurones, ce qui correspond à près du tiers du nombre total des 959 cellules présentes dans un hermaphrodite adulte. Les vers répondent aux stimuli environnementaux tels que la disponibilité de nourriture, la densité de population ou les produits chimiques comme les chimioattractants. En plus des criblages génétiques, l’ablation laser – qui consiste en la coupe sélective de neurones au faisceau laser – et l’électrophysiologie nous ont permis de comprendre comment les neurones fonctionnent et communiquent dans des organismes multicellulaires. La connectivité du système nerveux chez le C. elegans est d’ailleurs complètement cartographiée à ce jour.

Les vers sont également un choix idéal pour les études sur le vieillissement. La courte durée de vie des vers a permis aux chercheurs de mener des criblages génétiques pour identifier les gènes de longévité. Bien que beaucoup de ces gènes soient conservés dans les humains, nous ne savons pas encore s’ils influent sur la durée de vie humaine.

La recherche sur les vers à également fait progresser notre connaissance des maladies humaines. Les marqueurs fluorescents ont été utilisés dans les vers pour simuler l’agrégation, c’est-à-dire l’accumulation de protéines anormalement repliées telle que l’alpha-synucléine. Ces agrégats causent la dégénérescence des neurones, entrainant des déficits moteurs. Les criblages génétiques des vers ont contribué à l’identification des gènes qui empêchent la perte de neurones dans les maladies neurodégénératives telles que les maladies de Parkinson et d’Alzheimer.

Vous venez de regarder l’introduction aux Caenorhabditis elegans de JoVE. Dans cette vidéo, nous avons présenté les caractéristiques du C. elegans et les raisons qui font que ce ver est un organisme modèle fort utile. Ce minuscule ver, dont la génétique est simple et le système nerveux restreint, nous a aidé à comprendre de nombreux aspects du développement humain, du comportement, du vieillissement et de maladie. Merci de votre attention et bonne chance pour votre recherche sur les C. elegans.

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.