방법 논문

가장 아름다운 끝없는 벌레: 진화 발달 생물학을 연구하기 위해 선충류를 사용하는 현재 방법

DOI:

10.3791/64594

⸱

2022년 8월 10일

 ,  , 
1Department of Neurobiology, Tel Aviv University, 2Department of Molecular, Cellular, Developmental Biology, University of California Santa Barbara

이 논문에서

초록

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논의된 기사:

Tintori, SC, Sloat, SA, Rockman, MV baermann 깔때기에 의한 야생 선충류의 신속한 분리. 시각화 실험 저널. (179) (2022).

크롬비, TA, 태니, RE, 뷰캐넌, CM, 로베르토, NM, 앤더슨, EC 자가 Caenorhabditis 선충류의 생태학적 조사를 수행하기 위한 확장성이 뛰어난 접근 방식입니다. 시각화 실험 저널. (181) (2022).

Ackley, C., Washiashi, L., Krishnamurthy, R., Rothman, JH Caenorhabditis Dauer 유충의 대규모 중력 분석. 시각화 실험 저널. (183) (2022).

Woronik, A., Kiontke, K., Jallad, RS, Herrera, RA, Fitch, DHA 종에 구애받지 않는 단일 조직 응용 분야를 위한 레이저 미세 해부. 시각화 실험 저널. (181) (2022).

Cammalleri, SR, Knox, J., Roy, PJ 식물 기생 선충 Ditylenchus dipsaci 배양 및 스크리닝. 시각화 실험 저널. (179) (2022).

Heryanto, C., Ratnappan, R., O'halloran, DM, Hawdon, JM, Eleftherianos, I. 곤충병원성 선충의 배양 및 유전적 조작. 시각화 실험 저널. (181) (2022).

사설

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1960년대에 Sydney Brenner는 동물 신경생물학 및 발달을 연구하기 위해 Caenorhabditis elegans, 특히 영국 브리스톨에서 분리된 N2 균주의 사용을 개척했습니다1. 그 이후로 이 실험실 참조 균주에 대한 중요한 발견은 프로그램된 세포 사멸2, 기관 형성 3,4,5, 노화 6,7, 비코딩 RNA에 의한 유전자 조절 8,9,10,11, 완전한 성적으로 이형성 신경 커넥톰의 설명과 같은 기본 과정의 조절을 밝히는 데 중요한 역할을 했습니다 12, 분자, 세포 및 발달 생물학의 다른 많은 현상. 단일 세포 분해능13,14에서 여러 "omic" 연구에 의해 보완된 N2는 틀림없이 가장 완벽하게 설명된 후생동물입니다. 지난 6년 동안 N2를 연구하여 얻은 풍부한 지식은 유전적으로 구별되는 C. elegans 야생 이소형과 다른 선충류 종의 발달을 조절하는 기계의 진화적 다양화를 탐구하기 위한 발판을 제공했습니다. 현재까지 각각 고유한 일배체형을 가진 500개 이상의 C. elegans 이소형이 전 세계에서 분리되었습니다15. 이러한 발전은 N2에서 일련의 행동 및 발달 형질을 수정하는 많은 유전자의 실험실 유래 대립유전자를 포함하여 양적 형질16의 변이를 담당하는 유전적 요인의 식별을 크게 촉진했습니다(예: 참고 문헌 17,18,19,20). 따라서 야생 벌레를 연구하면 동물이 발달, 생리학 및 행동에 영향을 미치는 방식으로 환경에 어떻게 반응하는지에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있으며 동물의 진화 궤적을 밝힐 수도 있습니다. Caenorhabditis 속의 많은 종은 C. elegans21,22와 형태학적으로 거의 구별할 수 없는 것으로 나타나 발달 시스템 표류의 분자 메커니즘을 연구할 수 있는 강력한 플랫폼을 제공합니다23,24; 그러나 썩어가는 식물 물질에 서식하는 C. elegans의 형태는 틈새 적응의 결과일 가능성이 있는 무화과에서만 발견되는 가장 가까운 알려진 형제인 C. inopinata와 실질적으로 다르다는 점에 주목하는 것은 흥미롭습니다25. 종 내 및 종간 비교 연구는 이 동물의 진화 역사에 대한 이해를 심화시킬 것입니다. 선충류가 제공하는 풍부한 천연 자원의 사용을 촉진하여 진화 발달 및 행동 생물학의 중요한 질문을 탐구하는 것을 목표로 이 기사 모음은 C. elegans 종 이외의 야생 벌레 및 선충 종을 분리, 배양 및 연구하는 데 유용한 기술을 제공합니다.

이 방법 모음에서 Tintori et al.26 및 Crombie et al.27은 야생 선충을 분리하기 위한 보완적인 접근 방식을 제공합니다. Tintoriet al. Baermann 깔때기를 사용하여 현장에서 선충류를 분리하는 간단하고 비용 효율적인 방법을 설명합니다. 이 접근 방식을 통해 연구자는 편견 없는 방식으로 기질(예: 썩은 과일, 꽃 및 줄기)에서 거의 모든 선충 개체군을 수집할 수 있습니다. 대조적으로, Crombie et al. C. elegans, C. briggsae 및 C. tropicalis와 같은 자가 수정 Caenorhabditis 종을 풍부하게 하는 방법을 제시합니다. 또한 선충 샘플과 해당 생태 데이터를 효과적으로 추적하고 구성하기 위해 Fulcrum 앱 및 R 소프트웨어 사용에 대한 자세한 지침을 제공합니다. 자연적인 맥락에서 선충류를 연구하면 선충류의 생태학에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있으며, 이는 이 종의 복잡한 특성을 형성합니다.

선충류는 틈새 적응을 촉진하는 행동에서 종 내 및 종간 변이를 나타내며, 행동 가소성 및 신경 발산의 유전적 기초를 연구하기 위한 탁월한 패러다임을 제공합니다 28,29,30. Ackley et al.31은 다양한 Caenorhabditis 종의 다우어 유충에서 분산 메커니즘 역할을 할 수 있는 중력을 연구하기 위한 강력한 분석을 설명합니다. 중력 행동은 다른 감각 입력(32)에 의해 영향을 받을 수 있으므로 Ackley et al.31은 빛과 전자기장으로부터 동물을 보호하는 간단하고 비용 효율적인 방법을 제공하여 중력 행동에 대한 이러한 환경 영향의 알려진 간섭을 방지합니다. 이 분석은 선충의 감각 통합의 분자 메커니즘과 분산 전략의 진화를 연구하는 데 유용할 것입니다.

지난 10년 동안 단일 세포 RNA 시퀀싱 기술의 개발은 전사체 분석에 혁명을 일으켜 연구자들이 다세포 유기체의 세포 이질성을 고해상도로 연구할 수 있게 되었습니다. C. elegans에서 다양한 세포 유형의 분리는 조직 특이적 형광 마커 및 FACS33의 발현에 의존하며, 이는 형질전환 도구를 사용할 수 없는 다른 선충 종에 대한 적용을 제한합니다. Woronik et al.34 는 세포 마커가 없는 상태에서 벌레로부터 조직을 분리하기 위해 레이저 미세 해부를 성공적으로 배치했습니다. 그들은 C. elegans 수컷과 자웅동체로부터 꼬리 끝을 분리하고 꼬리 형태 형성의 메커니즘을 조사하기 위해 CEL-Seq2를 사용하여 RNA-seq를 수행합니다. 그러나, 설명된 방법은 다른 선충 종의 다른 조직 유형에 대해 쉽게 채택될 수 있으며, 조직 특이적 맥락에서 비교 전사체 분석을 가능하게 한다는 점은 주목할 가치가 있습니다.

C. elegans와 많은 기생 선충류는 유사한 구조를 포함합니다. 또한 많은 주요 신호 전달 시스템과 발달 경로가 종 간에 보존되어 있습니다35,36. 줄기 및 구근 선충인 Ditylenchus dipsaci는 전 세계 500종 이상의 식물 종에 영향을 미치는 식물 기생 선충으로 식량 작물의 파괴적인 손실을 초래합니다. Cammalleri et al.37은 완두콩 식물에서 D. dipsaci 개체군을 많이 번식시키는 효과적인 방법을 설명합니다. 저자는 또한 벌레의 이동성을 손상시켜 살선충제 역할을 할 수 있는 소분자 후보를 식별하기 위한 자세한 프로토콜을 제공합니다. 최근에 이용 가능한 게놈 서열38과 결합된 실험실 배양의 용이성은 D. dipsaci를 C. elegans와의 비교 연구에 유용한 모델로 만들어 생물학의 새로운 측면을 밝히고 생물학적 방제를 위한 효과적인 전략을 개발할 수 있게 합니다.

마지막으로, Heryanto et al.39는 곤충을 감염시키고 장내 박테리아와 상호주의적 연관성을 나타내는 곤충 발생 벌레인 Heterorhabditis bacteriophora 및 Steinernema carpocapsae를 전파하는 방법을 제공합니다. Heryanto et al. 또한 생식선에 dsRNA를 미세 주입하여 H. 박테리오포라에서 RNAi에 대한 방법을 보여줍니다. 이전 연구에서는 Steinernema 배아가 느리게 발달하고 모체에서 접합체로의 전환이 Caenorhabditis 종40보다 Steinernema에서 배아 형성 중에 더 일찍 발생하는 것으로 나타났습니다. Heryanto et al. 39에 의해 기술된 유전 도구를 사용한 추가 비교 연구는 기생의 진화에 대한 새로운 통찰력뿐만 아니라 이러한 먼 친척 종의 발달 프로그램의 진화적 다양화의 기초를 밝힐 것을 약속합니다.

이 방법 모음의 기사는 선충이 향후 비교 및 기계론적 연구를 위해 제공하는 강력한 시스템 샘플러를 제공합니다. 찰스 다윈의 "가장 아름답고 가장 경이로운 끝없는 형태"를 나타내기 위해 진화 과정에서 다양한 생물학적 과정이 어떻게 조정되는지 이해하는 것은 매우 흥미롭습니다.

공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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저자는 국립보건원(National Institutes of Health)의 자금 지원을 인정합니다(# R01GM143771 및 # R01HD081266).

참고문헌

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