Un'introduzione a 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 è un nematode microscopico che abita il suolo che è stato potentemente utilizzato come organismo modello sin dai primi anni 1970. Inizialmente è stato proposto come modello per la biologia dello sviluppo a causa del suo piano corporeo invariante, della facilità di manipolazione genetica e del basso costo di manutenzione. Da allora C. elegans è rapidamente cresciuto in popolarità ed è ora utilizzato in numerosi sforzi di ricerca, dallo studio delle forze al lavoro durante la locomozione agli studi sui circuiti neurali.

Questo video fornisce una panoramica della biologia di base di C. elegans,una cronologia delle molte pietre miliari della sua breve ma leggendaria storia e, infine, alcune interessanti applicazioni che utilizzano C. elegans come organismo modello.

Procedure

Caenorhabditis elegans, o “vermi” per gli scienziati che li studiano, hanno rivoluzionato il modo in cui ci avviciniamo agli studi genetici per capire come i geni regolano le attività cellulari. La semplice genetica del verme, il corpo trasparente e la facilità di coltivazione li rendono un sistema ideale per studiare lo sviluppo embrionale, le funzioni neuronali, la durata della vita e l’invecchiamento e le basi molecolari di alcune malattie umane.

Per prima cosa, conosciamo C. elegans come organismo modello. Caenorhabditis elegans appartiene al phylum Nematoda del regno animale. C. elegans sono organismi pluricellulari lunghi circa 1 mm. Hanno corpo cilindrico allungato senza segmentazione e senza appendici. I vermi hanno un corpo trasparente per tutto il loro ciclo vitale ed esistono come ermafroditi e maschi. Gli ermafroditi sono in grado sia di autofecondazione che di accoppiamento con i maschi.

I nematodi vivono principalmente nel terreno con un livello costante di umidità e ossigeno

In laboratorio, vengono coltivati in piastre di Petri contenenti agarose su un prato del batterio E. coli.

La durata della vita del verme è di circa 14 giorni. Passano attraverso 4 stadi larvali, da L1 a L4, mentre maturano da un uovo a un genitore che depone le uova. Lo sviluppo dei vermi è influenzato dalla temperatura e in laboratorio vengono coltivati a 15 ° C, 20 ° C o 25 ° C.

Ora che abbiamo esaminato le basi di C. elegans, impariamo cosa li rende un potente organismo modello. In primo luogo, è relativamente economico e facile da colturare vermi su terreno solido o liquido.

In secondo luogo, poiché rimangono trasparenti per tutto il loro ciclo di vita, l’intera anatomia del verme è facilmente visualizzabile dalla microscopia ottica. Questo attributo è particolarmente utile per studiare lo sviluppo dei vermi, poiché i singoli lignaggi cellulari possono essere facilmente rintracciati. La trasparenza consente inoltre ai reporter fluorescenti, come Green Fluorescent Protein (o GFP), di essere facilmente visualizzati nei worm vivi.

In terzo luogo, C. elegans è molto fertile; ogni ermafrodita depone circa 300 uova dopo l’autofecondazione. Pertanto, è facile ottenere vermi in gran numero. Inoltre, i vermi raggiungono la maturità riproduttiva in soli 3,5 giorni a 20 °C.

In quarto luogo, i vermi sono facili da manipolare geneticamente. Esaminando le mutazioni, i ricercatori ottengono informazioni sulla funzione genica e le mutazioni possono essere introdotte nei vermi mediante trattamento con sostanze chimiche e dall’esposizione alle radiazioni UV. Gli schermi ad alto rendimento a livello di genoma sono facili da eseguire con i worm in 96 piastre di pozzo. Ciò consente a numerosi geni di essere sottoposti a screening simultaneo per il loro coinvolgimento in un particolare fenomeno o comportamento biologico. Inoltre, il centro genetico C. elegans, o CGC, mantiene un ampio deposito di mutanti, che sono disponibili per i ricercatori per una piccola tassa.

Quinto, C. elegans è stato il primo organismo multicellulare ad avere un genoma completamente sequenziato. La sequenza completa e una mappa cromosomica dettagliata hanno reso l’analisi genetica più rapida e semplice. L’analisi della sequenza mostra che molti geni sono conservati tra gli esseri umani e i vermi.

Infine, oltre a tutti questi vantaggi, la comunità di ricerca sui worm è molto amichevole e ha sviluppato molte utili risorse online per lo studio dei worm.

Date tutte le caratteristiche che rendono C. elegans un sistema modello così attraente, non c’è da meravigliarsi che molte scoperte di riferimento siano state fatte studiando i vermi. Diamo un’occhiata ad alcuni di loro.

Nel 1963, Sydney Brenner decise di stabilire C. elegans come sistema modello e lo usò per esplorare la funzione genica. Nel 1974, pubblicò i risultati del suo schermo genetico, che cercava fenotipi visivi, come il corpo disordinato, il movimento non coordinato e i trasformatori.

Nel 1976, John Sulston, che lavorò con Brenner, pubblicò un lignaggio cellulare completo di C. elegans. Ha seguito la discesa di ogni cellula mentre si divideva e si differenziava e ha scoperto che le prime cinque divisioni cellulari producono sei cellule fondatrici che si differenziano per dare origine a tutti i diversi tessuti dell’organismo.

Nel 1986, Robert Horvitz pubblicò il suo lavoro pionieristico sulla scoperta dei “geni della morte”. Mentre le cellule si dividono e si differenziano, alcune cellule vengono eliminate dall’attivazione dei geni di morte per il normale sviluppo del verme e di altri organismi. Il suo lavoro sulla morte cellulare programmata, o apoptosi, ha avuto un grande impatto sulla nostra comprensione degli eventi di sviluppo nei mammiferi, nel cancro e nelle malattie neurodegenerative.

Nel 2002, Sydney Brenner, John Sulston e Robert Horvitz hanno condiviso il Premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina per il loro lavoro seminale svolto in C. elegans.

Nel 2006, Andrew Fire e Craig Mello hanno condiviso il premio Nobel per la fisiologia e la medicina per il loro lavoro innovativo sull’interferenza dell’RNA, o RNAi, un processo che si traduce nel silenziamento dei geni attraverso la degradazione di specifiche molecole di mRNA. La tecnologia RNAi è attualmente in fase di sviluppo per uso terapeutico.

Nel 2008, Martin Chalfie ha ricevuto il premio Nobel per la chimica per aver dimostrato che la proteina fluorescente verde (o GFP) potrebbe essere espressa in C. elegans e utilizzata come reporter fluorescente. Da allora, la GFP è stata espressa in tutti i principali organismi modello.

Come organismo modello, C. elegans può essere utilizzato per rispondere a molte importanti domande scientifiche.

Ad esempio, i vermi sono un sistema modello molto conveniente per lo studio della neurobiologia. Sebbene i vermi non abbiano un cervello di per sé, hanno un sistema nervoso piuttosto sofisticato composto da 302 neuroni – quasi un terzo delle 959 cellule totali trovate in un ermafrodita adulto. I vermi rispondono a segnali ambientali, come la disponibilità di cibo, la densità di popolazione o sostanze chimiche come i chemioattrattivi. Oltre agli schermi genetici, l’ablazione laser – cioè il taglio selettivo dei neuroni con raggi laser – e l’elettrofisiologia ci hanno portato ad apprezzare come i neuroni funzionano e comunicano negli organismi multicellulari. In effetti, l’intera connettività del sistema nervoso di C. elegans è stata ora mappata.

I vermi sono anche la scelta ideale per gli studi sull’invecchiamento. La breve durata della vita del verme ha permesso ai ricercatori di condurre screening genetici per trovare i geni della longevità. Sebbene molti di questi geni siano conservati negli esseri umani, non sappiamo ancora se influenzano o meno la durata della vita nelle persone.

La ricerca sui vermi ha anche fatto avanzare la nostra conoscenza delle malattie umane. I reporter fluorescenti sono stati utilizzati nei worm per imitare l’aggregazione; cioè, l’aggregazione di proteine mal ripiegate, come l’alfa-sinucleina. Questi aggregati causano la degenerazione dei neuroni, con conseguenti deficit motori. Gli screening genetici nei vermi hanno aiutato a identificare i geni che prevengono la perdita di neuroni nelle malattie neurodegenerative, come il morbo di Parkinson e il morbo di Alzheimer.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE a Caenorhabditis elegans. In questo video, abbiamo esaminato le caratteristiche di C. elegans e le ragioni che rendono i vermi un potente organismo modello. Questo piccolo verme, con la sua genetica semplice e il suo minuscolo sistema nervoso, ci ha aiutato a comprendere numerosi aspetti dello sviluppo umano, del comportamento, dell’invecchiamento e della malattia. Grazie per aver guardato e buona fortuna con la tua ricerca su 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.