3.9: C. elegans Sviluppo e riproduzione

Caenorhabditis elegans è un organismo multicellulare anatomicamente piccolo e geneticamente semplice con un modello di sviluppo invariante. Nonostante il fatto che altri organismi, come i vertebrati, abbiano programmi di sviluppo più variabili, la ricerca sullo sviluppo e la riproduzione dei vermi ha prodotto importanti intuizioni sui meccanismi molecolari che regolano lo sviluppo in una vasta gamma di specie, compresi noi. Un buon apprezzamento dello sviluppo dei vermi e del loro ciclo di vita è fondamentale per il successo degli esperimenti genetici.

Innanzitutto, impariamo a conoscere gli aspetti chiave dello sviluppo dei worm. Dopo la fecondazione, il primo evento importante è una divisione cellulare asimmetrica durante la quale si stabilisce l'asse antero-posteriore. L'asse dorso-ventrale è stabilito tra lo stadio a due celle e quello a quattro cellule, e l'asse sinistro-destro è stabilito poco dopo lo stadio a quattro cellule.

Sei cellule fondatrici compaiono durante i primi cinque cicli di divisione cellulare. Questi sono AB, MS, E, C, D e P4. In ogni verme, queste stesse cellule fondatrici daranno sempre origine agli stessi tessuti specifici.

I discendenti cellulari di AB daranno infine origine ai neuroni e al tessuto della faringe. La SM dà origine a muscoli, faringe e neuroni. Le cellule derivate dall'E diventano tessuto intestinale. Il C dà origine ai muscoli, ai neuroni e alla pelle. Le cellule del fondatore D diventano muscoli della parete corporea. E, infine, la cellula P4 darà origine alla linea germinale

Le interazioni cellula-cellula sono fondamentali per determinare questi destini cellulari finali. Ad esempio, l'interazione di ABp con P2 è importante per dare origine ai neuroni e alle cellule epiteliali. L'interazione di ABa con EMS è necessaria per la formazione delle cellule faringee. L'interazione tra il lato posteriore dell'EMS e la P2 allo stadio di quattro cellule è essenziale affinché la cellula E prodotta dalla cellula EMS si differenzi in cellule intestinali.

Dopo le poche divisioni precoci, quando l'embrione raggiunge approssimativamente lo stadio di 30 cellule, viene deposto l'uovo di verme. Ulteriori divisioni cellulari portano ad un aumento del numero di cellule e della formazione di organi. Alla fine, il minuscolo verme inizia a muoversi all'interno del guscio dell'uovo e, poco dopo che la sua faringe inizia a pompare, l'uovo si schiude.

Un aspetto importante dello sviluppo di C. elegans è l'apoptosi, o morte cellulare programmata, che porta alla rimozione selettiva di alcune cellule. Durante la fase embrionale dello sviluppo del verme, 113 cellule muoiono a causa dell'apoptosi.

Dopo aver esaminato lo sviluppo embrionale, impariamo ora a conoscere il ciclo di vita di un verme appena nato. Il ciclo di vita di C. elegans comprende quattro stadi larvali ? L1, L2, L3, L4 ? a cui segue l'età adulta. In determinate condizioni ambientali, come la scarsità di cibo, le larve tardive L1 o L2 si arrestano ed entrano in un programma di sviluppo alternativo, chiamato stadio di dauer. I bambini possono rimanere in questa fase per molti mesi, ma quando la disponibilità di cibo rientrano nel normale programma di sviluppo.

I vermi hanno due sessi ? gli ermafroditi e i maschi autofecondanti. Gli ermafroditi hanno una coda appuntita e sono entrambi più larghi e più lunghi dei maschi della stessa età. Al microscopio da dissezione, i maschi si distinguono facilmente per il loro corpo snello, ma la differenza più profonda è la coda distintiva del verme maschio che porta l'apparato copulatorio.

La linea germinale ermafrodita produce sia ovociti che spermatozoi, mentre la linea germinale maschile produce solo spermatozoi. La linea germinale contiene cellule staminali all'estremità distale, che si spostano verso l'estremità prossimale per produrre gameti maturi.

Attraverso l'autofecondazione, un ermafrodita adulto produce una progenie ermafrodita geneticamente identica con due cromosomi sessuali. Occasionalmente, la non disgiunzione, che è l'incapacità dei cromosomi di separarsi correttamente nella linea germinale ermafrodita, si traduce in una progenie maschile con un solo cromosoma sessuale. Si ritiene che l'alta temperatura aumenti la frequenza degli eventi di non disgiunzione

La riproduzione sessuale sia la forza trainante della diversità genetica. Anche se l'accoppiamento avviene a bassa frequenza, l'autofecondazione è la principale modalità di riproduzione in C. elegans in natura. Un'importante domanda senza risposta nella biologia dei vermi è perché i maschi sono stati preservati attraverso l'evoluzione.

Ora che hai imparato un po' sullo sviluppo e sul ciclo di vita di C. elegans, vediamo come possiamo applicare praticamente queste conoscenze per impostare incroci genetici. Prima di iniziare, è importante pianificare attentamente la strategia genetica.

La tecnica asettica è importante per evitare la contaminazione batterica e fungina. Non lasciare che le piastre si secchino, poiché i ceppi di vermi potrebbero essere impossibili da recuperare. Il giorno dell'organizzazione di un accoppiamento, prepara più piastre con una macchia concentrata di batteri al centro della piastra. Etichettare la piastra con i nomi dei ceppi e la data. Per organizzare un accoppiamento, metti tre ermafroditi L4 o giovani adulti e dodici maschi L4 o giovani adulti su ogni piatto. Incubare alla temperatura appropriata e controllare le piastre quattro giorni dopo per verificare la presenza di progenie incrociata. La presenza di circa il 50% di maschi è la prima indicazione che l'incrocio ha funzionato. Scegli la progenie dell'incrocio ermafrodita L4 poiché questi non si sono ancora accoppiati con nessun maschio nel piatto. Seguili attentamente per assicurarti che il fenotipo osservato corrisponda al fenotipo atteso.

La comprensione del ciclo di vita e dello sviluppo di C. elegans ha contribuito ad affrontare importanti questioni fondamentali nella biologia cellulare.

L'apoptosi nella linea germinale è parte integrante dell'oogenesi, dell'embriogenesi e dell'organogenesi in molti organismi, compreso l'uomo. Molti regolatori dell'apoptosi sono conservati tra l'uomo e i vermi. Pertanto, C. elegans è un sistema unico per capire perché così tante cellule germinali muoiono durante l'ovogenesi in diverse specie.

Le uniche linee di cellule staminali autentiche in C. elegans sono le cellule staminali germinali all'estremità distale. Questi sono stati utilizzati come paradigma per capire come vengono mantenute le nicchie delle cellule staminali e come le cellule si impegnano nella differenziazione.

Molti nematodi parassiti che infettano l'uomo subiscono un arresto larvale simile allo stadio di dauer in C. elegans. Dopo l'infezione, riprendono lo sviluppo. Molte colture agricole sono anche invase da nematodi parassiti che arrestano. Una migliore comprensione dei meccanismi di dauer porterà a migliori terapie contro questi nematodi.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE allo sviluppo e alla riproduzione di C. elegans. In questo video, abbiamo esaminato lo sviluppo embrionale, la specificazione del destino cellulare e il ciclo di vita di C. elegans. La ricerca in questi settori ha prodotto importanti informazioni sui meccanismi dell'apoptosi, delle cellule staminali e dei nematodi infettivi.

Grazie per l'attenzione e buona fortuna per la tua ricerca su C. elegans.