Caenorhabditis elegans는 1970 년대 초부터 모델 유기체로 강력하게 사용 되어 온 현미경, 토양 거주 둥근 벌레. 그것은 처음에 그것의 변이체 바디 계획, 유전 조작의 용이성 및 유지 보수의 낮은 비용 때문에 발달 생물학을 위한 모형으로 제안되었습니다. 그 이후로 C. elegans는 빠르게 인기를 얻었으며 이제 운동 중에 직장에서 의력을 연구하는 것부터 신경 회로 연구에 이르기까지 수많은 연구 노력에 활용되고 있습니다.
이 비디오는 기본 C. elegans 생물학의개요, 짧지만 유서 한 역사에서 많은 이정표의 타임 라인, 그리고 마지막으로 모델 유기체로 C. elegans를 사용하여 몇 가지 흥미로운 응용 프로그램을 제공합니다.
Caenorhabditis elegans,또는 그들을 연구 하는 과학자에 게 “벌레” 유전자 세포 활동을 조절 하는 방법을 이해 하기 위해 유전 연구에 접근 하는 방법 혁명. 벌레의 간단한 유전학, 투명한 몸, 재배의 용이성은 배아 발달, 신경 기능, 수명 및 노화 및 일부 인간 질병의 분자 기초를 연구하기위한 이상적인 시스템입니다.
첫째, C. 예인자를 모델 유기체로 알 수 있습니다. 케노르하비티스 엘레간은 동물 왕국의 필럼 네마토다에 속한다. C. 예레간은 약 1mm 길이의 다세포 유기체입니다. 그들은 세분화없이 부속기없이 길쭉한 원통형 몸을 가지고 있습니다. 벌레는 그들의 생활 주기 내내 투명한 바디를 가지고 있고, hermaphrodites 및 남성으로 존재합니다. 헤르마프로디테는 남성과 의자가 풍부하고 짝짓기할 수 있습니다.
선충은 주로 수분과 산소의 일정한 수준으로 토양에 살고
실험실에서, 그들은 박테리아 대장균의 잔디밭에 아가로즈 함유 페트리 접시에서 배양된다.
벌레의 수명은 약 14 일입니다. 그들은 계란에서 계란 누워 부모로 성숙으로, L1을 통해 4 애벌레 단계를 통해 이동합니다. 웜의 발달은 온도에 의해 영향을 받고, 실험실에서, 그들은 15 °C, 20 °C 또는 25 °C에서 배양된다.
이제 우리는 C. elegans 기초를 검토했습니다, 그들에게 강력한 모델 유기체를 만드는 것을 배울 수 있습니다. 첫째, 상대적으로 저렴하고 고체 또는 액체 매체에 웜을 배양하기 쉽습니다.
둘째, 수명 주기 내내 투명하게 유지되기 때문에 전체 웜 해부학은 가벼운 현미경 검사법에 의해 쉽게 볼 수 있습니다. 이 특성은 개별 세포 계보를 쉽게 추적할 수 있기 때문에 웜 개발을 연구하는 데 특히 유용합니다. 투명성은 또한 녹색 형광 단백질 (또는 GFP)과 같은 형광 기자가 살아있는 벌레에서 쉽게 볼 수 있게 합니다.
셋째, C. 예인대는 매우 비옥합니다. 각 헤르마프로디테는 자기 수정 후 약 300개의 알을 낳습니다. 따라서 많은 수의 웜을 쉽게 얻을 수 있습니다. 또한, 벌레는 20°C에서 만 3.5 일 만에 생식 성숙에 도달합니다.
넷째, 벌레는 유전적으로 조작하기 쉽습니다. 돌연변이를 검토해서, 연구원은 유전자 기능에 통찰력을 얻고, 돌연변이는 화학 물질로 처리하 및 UV 방사선에 노출해서 벌레에서 소개될 수 있습니다. 높은 처리량 게놈 전체 스크린은 96 개의 웰 플레이트에서 웜으로 쉽게 수행 할 수 있습니다. 이것은 수많은 유전자가 특정 생물학 현상 또는 행동에 그들의 연루를 위해 동시에 가려질 수 있습니다. 또한, C. elegans 유전 센터, 또는 CGC는, 작은 요금에 대 한 연구원에 게 사용할 수 있는 돌연변이의 큰 저장소를 유지.
다섯째, C. 엘레간은 완전히 서열된 게놈을 가진 최초의 다세포 유기체였다. 완전한 서열과 상세한 염색체 맵은 유전 분석을 더 빠르고 쉽게 만들었습니다. 서열 분석은 많은 유전자가 인간과 벌레 사이에서 보존된다는 것을 보여줍니다.
마지막으로, 이러한 모든 장점 외에도 웜 연구 커뮤니티는 매우 친절하며 웜 을 연구하기위한 많은 유용한 온라인 리소스를 개발했습니다.
C. elegans를 매력적인 모델 시스템으로 만드는 모든 특성을 감안할 때, 벌레를 연구하여 많은 획기적인 발견이 이루어진 것은 당연합니다. 그들 중 일부를 살펴 보자.
1963년 시드니 브레너는 C. 엘레건을 모델 시스템으로 설립하기로 결정하고 이를 사용하여 유전자 기능을 탐구했습니다. 1974년, 그는 자신의 유전 적 화면 의 결과를 발표했는데, 이는 덤프 바디, 조정되지 않은 운동 및 변압기와 같은 시각적 표현형을 찾았습니다.
1976년 브레너와 함께 일했던 존 설스턴은 C. 엘레건의 완전한 세포 혈통을 발표했다. 그는 분할 및 분화로 모든 세포의 하강을 따라 처음 다섯 세포 분열궁극적으로 유기체에 있는 다른 조직을 모두 초래하기 위하여 분화하는 6개의 창시자 세포를 생성한다는 것을 것을을 발견했습니다.
1986년, 로버트 호르비츠는 “죽음의 유전자”의 발견에 대한 그의 선구적인 작업을 발표했다. 세포가 분열되고 분화함에 따라, 몇몇 세포는 벌레및 그밖 유기체의 일반적인 발달을 위한 죽음 유전자의 활성화에 의해 제거됩니다. 프로그램된 세포 죽음, 또는 세포멸에 대한 그의 연구는 포유류, 암 및 신경 퇴행성 질환에 있는 발달 사건의 우리의 이해에 큰 영향을 미쳤습니다.
2002년 시드니 브레너, 존 설스턴, 로버트 호르비츠는 C. 엘레건에서 수행한 정액 작업에 대해 노벨 생리학 및 의학상을 수상했습니다.
2006년, 앤드류 파이어와 크레이그 멜로는 특정 mRNA 분자의 분해를 통해 유전자의 침묵을 초래하는 RNA 간섭에 대한 획기적인 작업인 RNA 간섭에 대한 획기적인 작업으로 생리학 및 의학 노벨상을 공유했습니다. RNAi 기술은 현재 치료용으로 개발되고 있습니다.
2008년, 마틴 Chalfie는 녹색 형광 단백질 (또는 GFP)이 C. elegans에서 표현되고 형광 기자로 사용될 수 있다는 것을 보여주는 화학노벨상을 받았습니다. 그 이후로, GFP는 모든 주요 모형 유기체에서 표현되었습니다.
모델 유기체로서 C. elegans는 많은 중요한 과학적 질문에 대답하는 데 사용할 수 있습니다.
예를 들어, 벌레는 신경 생물학을 공부하기 위한 매우 편리한 모델 시스템입니다. 비록, 벌레는 그 당 두뇌가 없습니다, 그(것)들은 302개의 뉴런으로 구성된 다소 정교한 신경계가 있습니다 – 성인 hermaphrodite에서 찾아낸 총 959개의 세포의 거의 3분의 1. 벌레는 음식의 가용성, 인구 밀도, 또는 화학 요법과 같은 화학 물질의 가용성과 같은 환경 단서에 반응합니다. 유전 적 스크린 이외에, 레이저 절제 – 즉, 레이저 빔을 가진 뉴런의 선택적 절단 – 및 전기 생리학은 뉴런이 다세포 유기체에서 어떻게 기능하고 의사 소통하는지 감사하게 했습니다. 사실, C. elegans 신경계의 전체 연결이 이제 매핑되었습니다.
벌레는 또한 노화 연구에 대 한 이상적인 선택. 벌레의 짧은 수명은 연구원이 장수 유전자를 찾아내기 위한 유전 스크린을 단행하는 것을 허용했습니다. 이 유전자의 많은 인간에서 보존되어 있더라도, 우리는 아직도 그(것)들이 사람들에 있는 수명에 영향을 미치는지 여부를 모릅니다.
웜 연구는 또한 인간 질병에 대한 우리의 지식을 발전시켰습니다. 형광 기자는 응집을 모방하기 위해 웜에 사용되었습니다. 즉, 알파-시뉴클레인과 같은 잘못 접힌 단백질의 덩어리. 이러한 집계는 뉴런이 퇴화하여 운동 적자를 초래합니다. 벌레의 유전 적 화면은 파킨슨 병과 알츠하이머 병과 같은 신경 퇴행성 질환의 뉴런 손실을 방지하는 유전자를 식별하는 데 도움이되었습니다.
당신은 방금 조브가 케노르하비티스 엘레간에 소개하는 것을 보았습니다. 이 비디오에서는 C. elegans의 특성과 웜을 강력한 모델 유기체로 만드는 이유를 검토했습니다. 간단한 유전학과 작은 신경계가있는이 작은 벌레는 인간 발달, 행동, 노화 및 질병의 여러 측면을 이해하는 데 도움이되었습니다. C. elegans 연구에 감사하고 행운을 빕니다.
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.
