Caenorhabditis elegans は、土壌に生息する非常に小さい線虫で、1970年代初頭から多用されてきたモデル生物です。決まったボディプランをもち、遺伝子操作がしやすく、低価格でメンテナンスできるため、当初は発生生物学のモデル生物として登場しました。それ以降、その成長が早いという利点が生かされ、運動機能から神経回路の研究まで様々な研究に利用されるようになりました。
このビデオでは、C. elegans基礎生物学の概要、過去の画期的な研究成果を簡潔に紹介し、最後にモデル生物としてC. elegansを利用した素晴らしい研究をご覧いただけます。
シノラブダイティス・エレガンスは線虫とも呼ばれ、細胞活動制御の遺伝子研究に大変革をもたらしました。 線虫の遺伝子は単純で、透明な体をもち、簡単に培養できるため、胚発生、神経機能、寿命、老化、ヒト疾患の研究のために理想的なシステムです。
まず、モデル生物としてのC.エレガンスを知っていきましょう。 シノラブダイティス・エレガンスは、動物界の線形動物門に属します。 C.エレガンスは体長約1mmの多細胞生物です。 伸長する円筒形の体で、体節も付属器も持ちません。 線虫は一生涯透明の体で過ごし、雌雄同体と雄が存在します。 雌雄同体は自家受精も雄との交配も可能です。(F)
線形動物は、一定基準の湿気と酸素を含む土壌に生育します。
研究室では、大腸菌を生やしたアガロースを含有するペトリディッシュで培養します。
線虫の寿命は約14日です。 L1からL4までの4つの幼虫期で、卵の状態から産卵するようになるまで成長します。 線虫の発生は、温度に影響されます。 研究室では、15℃、20℃又は25℃で培養します。
Cエレガンスの基本について学んだところで、次は、有益なモデル生物となる利点について考えてみましょう。 まず、比較的安価であり、土でも液体培地でも培養できます。
2番目に、生涯透明の体をもつため、全組織が光学顕微鏡で観察しやすいです。 よって、個別細胞の細胞系譜を簡単に確認でき、線虫の発生研究に特に役立ちます。 体が透明なため生きた状態でGFPなどの蛍光レポーターを確認できます。
3番目は、Cエレガンスの生殖能力です。 1匹の雌雄同体は、自家受精により約300個の卵を産みます。 よって大量の線虫を獲得できます。 また、線虫は20℃の条件下3.5日で生殖可能になります。
4番目に、遺伝子操作がしやすいです。 突然変異試験により、遺伝子機能の洞察ができ、化学処理や紫外線照射により、遺伝子変異を線虫に誘導できます。 線虫を使ったハイスループット遺伝子スクリーニングは、96ウェルのプレートで簡単に行えます。 これにより、多数の遺伝子を同時にスクリーニングし、特異的な生物学的現象や行動との関与を研究できます。 また、Cエレガンス遺伝子センター、CGCではミュータントを多数保持しており、研究者はわずかな手数料で入手可能です。
5番目に、Cエレガンスが、全ゲノム配列が解読された最初の多細胞生物であることです。 全配列と詳細な染色体地図により、遺伝子解析が速く簡単にできます。 配列解析により、ヒトと線虫とで多くの遺伝子が保存されていることが分かります。
最後に、これらの利点に加え、線虫研究コミュニティは発達しており、オンラインでたくさんの研究に関する有益な情報を得ることができます。
Cエレガンスは、魅力的なモデル生物としての要素を全て備えており、多くの大発見がその研究から生まれました。 そのいくつかを見ていきましょう。 1963年、 Sydney BrennerはCエレガンスをモデル生物として提唱し、遺伝子機能の研究行いました。 1974年、彼は、 むっちりした形や、非協調性運動、変形などの見て分かる表現型の遺伝学的スクリーニングの結果を発表しました。 1976年、 Brennerの共同研究者John Sulstonが、Cエレガンスの細胞系譜を発表しました。 彼は 細胞系をすべて追跡し、最初の5回の細胞分裂で、6種類の創始細胞が形成されることを発見しました。(F) 1986年、 Robert Horvitzは「致死遺伝子」発見の先駆けとなる成果を発表しました。(G) 細胞が分裂、分化するとき、ある細胞は致死遺伝子の活性により排除されます。(G’) 彼はプログラム細胞死、つまりアポトーシスについて研究し、哺乳類やガン、神経変性疾患の発生事象の理解に大きなインパクトを与えました。(H) 2002年、 Sydney Brenner、John Sulston、Robert Horvitzの3人は、Cエレガンスに関する素晴らしい研究成果に対し、ノーベル生理学・医学賞を共同受賞しました。(I)
2006年、 Andrew Fire とCraig Mellonoの二人は、RNA干渉に関する革新的な研究成果に対しノーベル生理学・医学賞を共同受賞しました。 RNAiとは、特異的なmRNAの分解により遺伝子サイレンシングを引き起こすプロセスです。 現在RNAiは遺伝子治療の手法として期待されています。
2008年、 Martin Chalfie は、Cエレガンスに蛍光タンパク質、GFPを発現させ、蛍光標識としての使用を実証した成果に対しノーベル化学賞を受賞しました。 それ以来、GFP発現は、すべての主要なモデル生物で用いられています。
モデル生物としてのCエレガンスは、科学的問題を解く重要な鍵となります。
例えば、神経生物学の研究にとっても最適なモデルです。 線虫自体は脳をもちませんが、雌雄同体成虫の体細胞959個の約3分の1にあたる302個の神経からなる高機能の神経系があります。 線虫は、エサの存在、人口密度、化学誘因物質のような環境信号に反応します。 遺伝子検査に加え、レーザー光による選択的神経切断技術や電気生理学により、多細胞生物の神経機能や伝達について知ることができます。 実際に、Cエレガンスの全神経回路ネットワークはすでに解明されています。
線虫は老化研究の理想モデルでもあります。 その短い生活環により、長寿に関わる遺伝子のスクリーニングを可能にします。 それら多くの遺伝子はヒトとの間で保存されていますが、人間の寿命への影響はまだ分かっていません。
さらに、線虫によるヒト疾患の研究も進んでいます。 蛍光レポーターを用い、線虫内でαシヌクレインのようなミスフォールドタンパク質の凝集を再現することができます。 この凝集は、神経変性、結果として運動障害を引き起こします。 線虫の遺伝子検査は、パーキンソン病やアルツハイマー病などの神経変性疾患の神経脱落を防ぐ遺伝子の発見にもつながります。
今回のJoveシノラブダイティス・エレガンス入門編では、Cエレガンスの特徴、有益な生物モデルとなる理由について学びました。 単純な遺伝子、小さな神経系をもつこのちっぽけな線虫が、私たち人間の発生、行動、老化、疾患などのたくさんのメカニズムの解明に重要な役割を果たしています。 ご覧いただきありがとうございました。
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.
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