C. elegans (C. elegans) Rozwój i reprodukcja

Caenorhabditis elegans jest anatomicznie małym i genetycznie prostym organizmem wielokomórkowym o niezmiennym wzorcu rozwoju. Pomimo faktu, że inne organizmy, takie jak kręgowce, mają bardziej zróżnicowane programy rozwojowe, badania nad rozwojem i rozmnażaniem robaków przyniosły ważne informacje na temat mechanizmów molekularnych, które regulują rozwój u różnych gatunków, w tym u nas. Dobre zrozumienie rozwoju robaków i ich cyklu życiowego ma kluczowe znaczenie dla powodzenia eksperymentów genetycznych.

Najpierw poznajmy kluczowe aspekty rozwoju robaków. Po zapłodnieniu pierwszym poważnym wydarzeniem jest asymetryczny podział komórek, podczas którego ustala się oś przednio-tylna. Oś grzbietowo-brzuszna jest ustalana między etapem dwukomórkowym a czterokomórkowym, a oś lewo-prawa jest ustalana wkrótce po stadium czterokomórkowym.

Sześć komórek założycielskich pojawia się podczas pierwszych pięciu rund podziału komórek. Są to AB, MS, E, C, D i P4. U każdego robaka te same komórki założycielskie zawsze dają początek tym samym specyficznym tkankom.

Komórkowi potomkowie AB ostatecznie doprowadzą do powstania neuronów i tkanki gardła. Stwardnienie rozsiane powoduje rozwój mięśni, gardła i neuronów. Komórki pochodzące z E stają się tkanką jelitową. C daje początek mięśniom, neuronom i skórze. Komórki od założyciela D stają się mięśniem ściany ciała. I w końcu, komórka P4 da początek linii zarodkowej

Interakcje komórka-komórka mają kluczowe znaczenie dla określenia tych ostatecznych losów komórek. Na przykład interakcja ABp z P2 jest ważna dla powstania neuronów i komórek nabłonkowych. Interakcja ABa z EMS jest wymagana do tworzenia komórek gardła. Interakcja między tylną stroną EMS a P2 na etapie czterokomórkowym jest niezbędna, aby komórka E, która jest wytwarzana z komórki EMS, mogła różnicować się w komórki jelitowe.

Po kilku wczesnych podziałach, gdy zarodek osiąga stadium około 30 komórek, składane jest jajo robaka. Dalsze podziały komórkowe prowadzą do wzrostu liczby komórek i tworzenia narządów. W końcu maleńki robak zaczyna poruszać się wewnątrz skorupki jajka, a wkrótce po tym, jak jego gardło zacznie pompować, jajo się wykluwa.

Ważnym aspektem rozwoju C. elegans jest apoptoza, czyli zaprogramowana śmierć komórki, która prowadzi do selektywnego usuwania niektórych komórek. W embrionalnej fazie rozwoju robaków 113 komórek umiera w wyniku apoptozy.

Po zapoznaniu się z rozwojem embrionalnym, dowiedzmy się teraz o cyklu życiowym nowo wyklutego robaka. Cykl życiowy C. elegans składa się z czterech stadiów larwalnych – L1, L2, L3, L4 – po których następuje dorosłość. W pewnych warunkach środowiskowych, takich jak niedobór pożywienia, późne larwy L1 lub L2 zatrzymują się i wchodzą w alternatywny program rozwojowy, zwany stadium dauer. Dauery mogą pozostawać w tym stadium przez wiele miesięcy, ale po dostępności pożywienia wracają do normalnego programu rozwojowego.

Robaki mają dwie płcie - samozapładniające się hermafrodyty i samce. Hermafrodyty mają spiczasty ogon i są zarówno szersze, jak i dłuższe niż samce w tym samym wieku. Pod mikroskopem preparacyjnym samce można łatwo odróżnić po smukłym ciele, ale najgłębszą różnicą jest charakterystyczny ogon samca robaka, który nosi aparat kopulacyjny.

Hermafrodytowa linia zarodkowa wytwarza zarówno oocyty, jak i plemniki, podczas gdy męska linia zarodkowa wytwarza tylko plemniki. Linia zarodkowa zawiera komórki macierzyste na dystalnym końcu, które poruszają się w kierunku bliższego końca, aby wytworzyć dojrzałe gamety.

Poprzez samozapłodnienie dorosły hermafrodyta wytwarza genetycznie identyczne potomstwo hermafrodyty z dwoma chromosomami płciowymi. Czasami brak dysjunkcji, czyli niezdolność chromosomów do prawidłowego rozdzielenia się w linii zarodkowej hermafrodyty, skutkuje męskim potomstwem z tylko jednym chromosomem płciowym. Wysoka temperatura zwiększa częstotliwość zdarzeń niedysjunkcyjnych

Uważa się, że rozmnażanie płciowe jest siłą napędową różnorodności genetycznej. Mimo że krycie odbywa się z niską częstotliwością, samozapłodnienie jest podstawowym sposobem rozmnażania w C. elegans w naturze. Ważnym pytaniem bez odpowiedzi w biologii robaków jest to, dlaczego samce zostały zachowane w drodze ewolucji.

Teraz, gdy dowiedziałeś się już trochę o rozwoju i cyklu życiowym C. elegans, zobaczmy, jak możemy praktycznie zastosować tę wiedzę do tworzenia krzyżówek genetycznych. Przed rozpoczęciem ważne jest, aby dokładnie zaplanować strategię genetyczną.

Technika aseptyczna jest ważna dla uniknięcia zanieczyszczenia bakteryjnego i grzybiczego. Nie pozwól, aby płytki wyschły, ponieważ odzyskanie szczepów robaków może być niemożliwe. W dniu zakładania krycia przygotuj wiele płytek ze skoncentrowanym miejscem bakterii na środku płytki. Oznacz tabliczkę nazwami szczepów i datą. Aby przygotować się do krycia, umieść na każdym talerzu trzy hermafrodyty L4 lub młode dorosłe hermafrodyty i dwanaście L4 lub młodych dorosłych samców. Inkubować w odpowiedniej temperaturze i sprawdzić płytki cztery dni później pod kątem krzyżowego potomstwa. Obecność około 50% samców jest pierwszą wskazówką, że krzyżówka zadziałała. Wybierz potomstwo krzyżówki hermafrodytycznej L4, ponieważ nie kojarzyły się one jeszcze z żadnymi samcami na talerzu. Śledź je uważnie, aby upewnić się, że obserwowany fenotyp pasuje do oczekiwanego fenotypu.

Zrozumienie cyklu życiowego i rozwoju C. elegans pomogło odpowiedzieć na ważne fundamentalne pytania w biologii komórki.

Apoptoza w linii zarodkowej jest integralną częścią oogenezy, embriogenezy i organogenezy u wielu organizmów, w tym u ludzi. Wiele regulatorów apoptozy jest zachowanych między ludźmi a robakami. Dlatego C. elegans jest unikalnym systemem pozwalającym zrozumieć, dlaczego tak wiele komórek rozrodczych umiera podczas oogenezy u różnych gatunków.

Jedynymi prawdziwymi liniami komórek macierzystych w C. elegans są komórki macierzyste linii zarodkowej na dystalnym końcu. Zostały one wykorzystane jako paradygmat do zrozumienia, w jaki sposób utrzymywane są nisze komórek macierzystych i w jaki sposób komórki angażują się w różnicowanie.

Wiele pasożytniczych nicieni, które zarażają ludzi, przechodzi zatrzymanie larwalne, które jest podobne do stadium dauer u C. elegans. Po zakażeniu wznawiają rozwój. Wiele upraw rolnych jest również atakowanych przez pasożytnicze nicienie, które zatrzymują się. Lepsze zrozumienie mechanizmów zatruwania pozwoli na opracowanie lepszych terapii przeciwko tym nicieniom.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do rozwoju i rozmnażania C. elegans. W tym filmie dokonaliśmy przeglądu rozwoju embrionalnego, specyfikacji losu komórki i cyklu życiowego C. elegans. Badania w tych dziedzinach dostarczyły ważnych informacji na temat mechanizmów apoptozy, komórek macierzystych i nicieni zakaźnych.

Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w badaniach C. elegans.