Een introductie tot Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans, of "wormen" voor de wetenschappers die ze bestuderen, hebben de manier waarop we genetische studies benaderen om te begrijpen hoe genen cellulaire activiteiten reguleren, gerevolutioneerd. De eenvoudige genetica, het transparante lichaam en het gemak van kweek maken deze wormen een ideaal systeem voor het bestuderen van embryonale ontwikkeling, neuronale functies, levensduur en veroudering, en de moleculaire basis van sommige menselijke ziekten.

Laten we eerst kennismaken met C. elegans als modelorganisme. Caenorhabditis elegans behoort tot de fylum Nematoda van het dierenrijk. C. elegans zijn meercellige organismen met een lengte van ongeveer 1 mm. Ze hebben een langwerpig, cilindrisch lichaam zonder segmentatie en zonder aanhangsels. De wormen hebben gedurende hun gehele levenscyclus een transparant lichaam en komen voor als hermafrodieten en mannetjes. De hermafrodieten zijn in staat tot zowel zelfbevruchting als paring met mannetjes.

Nematoden leven voornamelijk in de bodem met een constant vochtigheids- en zuurstofniveau

In het laboratorium worden ze gekweekt in petrischalen met agarose op een gazon van de bacterie E. coli.

De levensduur van de worm is ongeveer 14 dagen. Ze doorlopen 4 larvale stadia, L1 tot en met L4, terwijl ze rijpen van een ei tot een eitjesleggende ouder. De ontwikkeling van de wormen wordt beïnvloed door de temperatuur, en in het laboratorium worden ze gekweekt bij 15 °C, 20 °C of 25 °C.

Nu we de basis van C. elegans hebben doorgenomen, gaan we bekijken wat hen tot een krachtig modelorganisme maakt. Ten eerste is het relatief goedkoop en eenvoudig om wormen te kweken op zowel vast als vloeibaar medium.

Ten tweede, omdat ze gedurende hun hele levenscyclus transparant blijven, is de gehele anatomie van de worm eenvoudig te bekijken via lichtmicroscopie. Deze eigenschap is bijzonder nuttig voor het bestuderen van de ontwikkeling van de worm, aangezien individuele cellijnen gemakkelijk kunnen worden gevolgd. Transparantie maakt het ook mogelijk om fluorescerende reporters, zoals Green Fluorescent Protein (of GFP), eenvoudig te visualiseren in levende wormen.

Ten derde zijn C. elegans zeer vruchtbaar; elke hermafrodiet legt ongeveer 300 eieren na zelfbevruchting. Daarom is het eenvoudig om wormen in grote aantallen te verkrijgen. Bovendien bereiken wormen de reproductieve volwassenheid in slechts 3,5 dagen bij 20 °C.

Ten vierde zijn wormen genetisch eenvoudig te manipuleren. Door mutaties te onderzoeken, krijgen onderzoekers inzicht in de genfunctie, en mutaties kunnen worden geïntroduceerd in wormen door behandeling met chemicaliën en door blootstelling aan UV-straling. High-throughput genoombrede screens zijn eenvoudig uit te voeren met wormen in 96-well platen. Hierdoor kunnen talrijke genen gelijktijdig worden gescreend op hun betrokkenheid bij een specifiek biologisch fenomeen of gedrag. Daarnaast beheert het C. elegans genetic center, of CGC, een grote collectie mutanten, die tegen een geringe vergoeding beschikbaar zijn voor onderzoekers.

Ten vijfde was C. elegans het eerste meercellige organisme met een volledig gesequenced genoom. De volledige sequentie, en een gedetailleerde chromosomale kaart, hebben genetische analyse sneller en eenvoudiger gemaakt. Sequentieanalyse laat zien dat veel genen geconserveerd zijn tussen mensen en wormen.

Ten slotte, naast al deze voordelen, is de onderzoeksgemeenschap rondom de worm zeer vriendelijk en zijn er veel behulpzame online bronnen ontwikkeld voor het bestuderen van wormen.

Gezien alle kenmerken die C. elegans tot een zo aantrekkelijk modelsysteem maken, is het geen wonder dat er veel baanbrekende ontdekkingen zijn gedaan door wormen te bestuderen. Laten we er een aantal bekijken.

In 1963 besloot Sydney Brenner C. elegans te vestigen als modelsysteem en gebruikte hij dit om genfuncties te onderzoeken. In 1974 publiceerde hij de resultaten van zijn genetische screen, waarbij werd gezocht naar visuele fenotypes, zoals een gedrongen lichaam (dumpy), ongecoördineerde beweging en transformers.

In 1976 publiceerde John Sulston, die met Brenner samenwerkte, een volledige cellineage van C. elegans. Hij volgde de afstamming van elke cel tijdens de deling en differentiatie en ontdekte dat de eerste vijf celdelingen zes stamcellen produceren die differentiëren om uiteindelijk tot alle verschillende weefsels in het organisme te leiden.

In 1986 publiceerde Robert Horvitz zijn pionierswerk over de ontdekking van "doodsgenen." Terwijl cellen delen en differentiëren, worden sommige cellen geëlimineerd door activering van doodsgenen voor de normale ontwikkeling van de worm en andere organismen. Zijn werk over geprogrammeerde celdood, of apoptose, heeft een grote impact gehad op ons begrip van ontwikkelingsprocessen bij zoogdieren, kanker en neurodegeneratieve ziekten.

In 2002 deelden Sydney Brenner, John Sulston en Robert Horvitz de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde voor hun baanbrekende werk met C. elegans.

In 2006 deelden Andrew Fire en Craig Mello de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde voor hun grensverleggende werk aan RNA-interferentie, of RNAi, een proces dat resulteert in het uitschakelen van genen via de degradatie van specifieke mRNA-moleculen. RNAi-technologie wordt momenteel ontwikkeld voor therapeutisch gebruik.

In 2008 ontving Martin Chalfie de Nobelprijs voor de Scheikunde voor het aantonen dat het Green Fluorescent Protein (of GFP) tot expressie kon worden gebracht in C. elegans en kon worden gebruikt als fluorescerende reporter. Sindsdien is GFP tot expressie gebracht in alle belangrijke modelorganismen.

Als modelorganisme kan C. elegans worden gebruikt om veel belangrijke wetenschappelijke vragen te beantwoorden.

Wormen zijn bijvoorbeeld een zeer handig modelsysteem voor het bestuderen van de neurobiologie. Hoewel wormen strikt genomen geen brein hebben, beschikken ze over een vrij geavanceerd zenuwstelsel bestaande uit 302 neuronen — bijna een derde van de in totaal 959 cellen die in een volwassen hermafrodiet voorkomen. De wormen reageren op omgevingssignalen, zoals de beschikbaarheid van voedsel, de populatiedichtheid of chemicaliën zoals chemoattractanten. Naast genetische screens hebben laserablatie — dat wil zeggen, het selectief doorsnijden van neuronen met laserstralen — en elektrofysiologie ons geholpen om te begrijpen hoe neuronen functioneren en communiceren in meercellige organismen. In feite is de volledige connectiviteit van het zenuwstelsel van C. elegans inmiddels in kaart gebracht.

Wormen zijn ook een ideale keuze voor verouderingsonderzoek. De korte levensduur van de worm heeft onderzoekers in staat gesteld genetische screens uit te voeren om genen voor levensduurverlenging te vinden. Hoewel veel van deze genen geconserveerd zijn in mensen, weten we nog niet of ze de levensduur bij mensen beïnvloeden.

Onderzoek met wormen heeft ook onze kennis over menselijke ziekten vergroot. Fluorescente reporters zijn in wormen gebruikt om aggregatie na te bootsen; dat wil zeggen, het samenklonteren van misvouwen eiwitten, zoals alpha-synucleïne. Deze aggregaten zorgen ervoor dat neuronen degenereren, wat leidt tot motorische defecten. Genetische screens in wormen hebben geholpen bij het identificeren van genen die het verlies van neuronen bij neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer, voorkomen.

U heeft zojuist de introductie van JoVE over Caenorhabditis elegans bekeken. In deze video hebben we de kenmerken van C. elegans besproken en de redenen waarom wormen een krachtig modelorganisme zijn. Deze kleine worm, met zijn eenvoudige genetica en minuscule zenuwstelsel, heeft ons geholpen talloze aspecten van de menselijke ontwikkeling, het gedrag, de veroudering en ziekten te begrijpen. Bedankt voor het kijken en veel succes met uw C. elegans-onderzoek.