Artykuł przeglądowy

Caenorhabditis elegans: wszechstronny model in vivo do dekodowania konserwowanych onkogennych szlaków sygnalizacyjnych

DOI:

10.3791/72682

⸱

14 sierpnia 2026

 , 
1Institute of Pediatrics, Children's Hospital of Fudan University, 2Department of Rheumatology, The Second Affiliated Hospital of Jiaxing University

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Niniejszy przegląd ocenia Caenorhabditis elegans jako uzupełniający model in vivo do badań nad szlakami nowotworowymi, koncentrując się na konserwatywnym sygnalizowaniu RTK-RAS-ERK, Notch i Wnt, reprezentatywnych mutantach, ilościowych odczytach, narzędziach genetycznych, przesiewaniu substancji przeciwnowotworowych oraz zastosowaniach opartych na chemosensacji.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Caenorhabditis elegans (C. elegans) to genetycznie podatny, przezroczysty i kosztowo efektywny model metazoa, który stanowi pomost między konwencjonalnymi badaniami na hodowlach komórkowych a systemami ssów w badaniach nad mechanizmami nowotworowymi. Niniejszy przegląd skupiony na szlakach sygnalizacyjnych obejmuje reprezentatywne badania nad konserwowanymi szlakami RAS/MAPK, Notch i Wnt i jest zorganizowany wokół konserwacji szlaków, szczepów mutantów, fenotypów ilościowych, narzędzi genetycznych oraz zastosowań w badaniach mechanistycznych, przesiewaniu związków oraz testach opartych na chemosensoryce. W pierwszej kolejności opisujemy konserwację komponentów szlaków i fenotypów istotnych dla procesów nowotworowych, w tym nadmierną proliferację linii zarodkowej oraz fenotyp wielowulwowy (Muv). Następnie katalogujemy reprezentatywne mutanty, takie jak szczepy glp-1 i let-60 z funkcją wzmocnioną (gain-of-function) oraz modele gld-1 i lip-1 z utratą funkcji (loss-of-function), które umożliwiają analizę utrzymania komórek macierzystych, proliferacji ektopowej i dysregulacji sygnalizacji. Dodatkowo omawiamy dostępne narzędzia do konstrukcji modeli, w tym interferencję RNA, transgenezę, MosTIC, TALENs oraz CRISPR/Cas9, podkreślając ich zalety i ograniczenia w badaniach nad funkcjami genów powiązanych z nowotworami. Na koniec podsumowujemy opublikowane zastosowania C. elegans w przesiewaniu leków przeciwnowotworowych, odkrywaniu szlaków sygnalizacyjnych i chemosensoryce związanej z nowotworami. Dzięki integracji konserwacji genetycznej ze skalowalnym fenotypowaniem in vivo, C. elegans stanowi komplementarną platformę do generowania hipotez, walidacji szlaków i wczesnego etapu odkrywania terapii, przy czym podczas przenoszenia wyników na biologię nowotworów ludzi należy brać pod uwagę ograniczenia modelu w zakresie odporności adaptacyjnej i złożoności organów.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Nowotwory pozostają główną przyczyną zachorowalności i śmiertelności na świecie. Według szacunków GLOBOCAN 2022 na całym świecie odnotowano blisko 20 milionów nowych przypadków raka oraz 9,7 miliona zgonów z ich powodu, wliczając w to nowotwory skóry inne niż czerniak1. Ponieważ przewiduje się, że zapadalność na raka będzie wzrastać wraz z przyrostem i starzeniem się populacji2, systemy eksperymentalne pozwalające na analizę zachowanych mechanizmów i wspierające efektywny dobór priorytetowych celów terapeutycznych pozostają niezbędne.

Mechanizmy nowotworowe są powszechnie badane w hodowlach komórkowych, a następnie testowane w modelach kręgowców. Jednakże hodowle komórkowe nie odwzorowują fizjologii całego organizmu, natomiast badania na kręgowcach są kosztowne i charakteryzują się stosunkowo niską przepustowością. Model komplementarny, który łączy łatwość manipulacji genetycznych, kontekst wielokomórkowy oraz szybki cykl eksperymentalny, może zatem pomóc w rozstrzygnięciu wybranych kwestii pomiędzy analizami in vitro a walidacją u ssaków.

Caenorhabditis elegans (C. elegans) wypełnia tę komplementarną niszę. W temperaturze 20 °C rozwija się z embrionu do płodnego osobnika dorosłego w ciągu około 3 dni, typowa długość życia w warunkach laboratoryjnych wynosi 2–3 tygodnie, a osobnik produkuje około 300 potomstwa z samozapłodnienia3. OrthoList 2 zidentyfikował ortologi C. elegans dla 10 678 z 20 310 ludzkich genów kodujących białka (52,6%)4, podczas gdy wcześniejsza analiza proteomiczna porównawcza wykazała ludzkie homologi dla około 83% proteomu C. elegans5. Dodatkowo około 72% wyselekcjonowanych ludzkich genów napędzających nowotwory (driver genes) posiada co najmniej jeden ortolog w C. elegans6. Zachowane procesy obejmują apoptozę, kontrolę cyklu komórkowego, metabolizm, odpowiedzi na stres oraz sygnalizację RTK–RAS–ERK, Notch, Wnt, TGF-β i insulinową/IGF3,4,6. Niemniej jednak ortologia nie oznacza pełnej równoważności funkcjonalnej, a nicieniowi brakuje narządów kręgowców, odporności adaptacyjnej, angiogenezy oraz układu krwionośnego6.

Niniejszy przegląd koncentruje się na szlakach sygnalizacyjnych RTK (receptorowej kinazie tyrozynowej)–RAS–ERK, Notch oraz Wnt, ponieważ są one konserwatywne ewolucyjnie, często dysregulowane w nowotworach u ludzi i powiązane z łatwo ocenialnymi fenotypami C. elegans. Rozróżniamy prawdziwe guzy linii zarodkowej od hiperplazji rozwojowej lub fenotypów ektopowego losu komórek, podsumowujemy reprezentatywne szczepy i ilościowe odczyty, przeglądamy narzędzia genetyczne do konstrukcji modeli oraz omawiamy badania, w których eksperymenty na nicieniach wyjaśniły mechanizmy przeciwnowotworowe lub umożliwiły priorytetyzację związków.

Przegląd i perspektywa

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zachowanie onkogennych szlaków sygnalizacyjnych u C. elegans
Nowotwory są napędzane przez kombinacje zmian genetycznych i epigenetycznych, które zaburzają proliferację, różnicowanie, przeżywalność, utrzymanie genomu, metabolizm oraz interakcje z mikrośrodowiskiem. C. elegans nie może odtworzyć każdej cechy ludzkich nowotworów złośliwych, ale pozwala na izolację funkcji konserwowanych szlaków w kontekście całego organizmu. Najbardziej informacyjne modele łączą zatem zdefiniowaną zmianę molekularną z mierzalnym fenotypem i jasno określoną analogią do nowotworów u ludzi.

Sygnalizacja RTK-RAS-ERK
Aktywacja receptorowych tyrozynowych kinaz (RTK) promuje dimeryzację lub reorganizację receptorów oraz trans-autofosforylację cytozolicznych reszt tyrozyny7. Miejsca dokowania fosfotyrozyny rekrutują białka adaptorowe i czynniki wymiany nukleotydów guaninowych, które przekształcają RAS ze stanu związanego z GDP w stan związany z GTP7,8. RAS-GTP rekrutuje kinazy RAF do błony plazmatycznej, gdzie aktywacja RAF inicjuje kaskadę kinaz RAF–MEK–ERK8,9. Aktywowana ERK fosforyluje substraty cytozoliczne i jądrowe, które regulują proliferację, różnicowanie, przeżycie oraz los komórki10. Onkogenne mutacje RAS lub aberracyjna aktywność RTK mogą zatem podtrzymywać sygnał z tej ścieżki niezależnie od normalnej kontroli zewnątrzkomórkowej8,11.

C. elegans koduje wiele RTK, w tym LET-23/EGFR i EGL-15/FGFR12. Podczas indukcji vulvy LIN-3/EGF aktywuje LET-23 oraz konserwowaną kaskadę SEM-5/GRB2–SOS-1–LET-60/RAS–LIN-45/RAF–MEK-2–MPK-1/ERK12,13,14. Zależna od ERK regulacja LIN-1 i LIN-31 determinuje losy komórek prekursorowych vulvy12,15. Zmniejszona aktywność szlaku prowadzi do fenotypu bezvulwowego, natomiast nadmierna aktywacja — na przykład w przypadku alleli let-60 typu gain-of-function — wywołuje fenotyp wielovulwowy (Muv)15,16. Ten sam szlak reguluje również rozwój przewodu wydalniczego, połączenia maciczno-vulwowe oraz kilka procesów w linii męskiej i zarodkowej12,17,18,19. Sygnalizacja EGL-15/FGFR kontroluje migrację myoblastów płciowych, utrzymanie mięśni, prowadzenie aksonów oraz homeostazę płynów20,21,22,23. Ponieważ efekt końcowy szlaku zależy od tkanki i stadium rozwoju, informacyjne modele związane z nowotworami definiuje określona zmiana molekularna, odpowiedni kontekst tkankowy oraz ilościowy odczyt12.

Sygnalizacja Notch
Notch jest kontaktowo-zależną ścieżką sygnalizacyjną, w której związany z błoną ligand Delta/Serrate/LAG-2 (DSL) w jednej komórce aktywuje receptor Notch w komórce sąsiedniej24,25. Podczas dojrzewania receptora w szlaku wydzielniczym następuje cięcie S124. Wiązanie ligandu odsłania następnie miejsce S2 dla proteaz z rodziny ADAM, po czym następuje cięcie S3 przez γ-sekretazę24,25. Uwolniona wewnątrzkomórkowa domena Notch wnika do jądra i tworzy kompleks transkrypcyjny z białkami wiążącymi DNA z rodziny CSL oraz koaktywatorami z rodziny Mastermind24. W przypadku C. elegans odpowiednimi czynnikami jądrowymi są LAG-1 i SEL-825.

C. elegans posiada dwa receptory Notch: LIN-12 i GLP-125. W linii zarodkowej osobników dorosłych komórki dystalnych końcówek (DTC) dostarczają ligandów DSL, głównie LAG-2 i APX-1, do receptora GLP-1 znajdującego się na sąsiednich komórkach macierzystych/progenitorach linii zarodkowej (GSCs)26,27. Wysoka aktywność GLP-1 podtrzymuje proliferację mitotyczną; w miarę oddalania się komórek od DTC, zredukowane sygnalizowanie Notch pozwala ścieżkom GLD na promowanie wejścia w mejozę28,29. Allele glp-1 z funkcją wzmocnioną (gain-of-function) mogą podtrzymywać ektopową mitozę i prowadzić do powstawania guzów linii zarodkowej25,30. LIN-12 kontroluje kilka decyzji dotyczących losu komórek somatycznych, w tym decyzję dotyczącą komórki kotwiczącej/brzusznej części macicy; konstytutywna aktywność LIN-12 w komórkach prekursorowych sromki powoduje fenotyp wielosromkowy (Muv), a aktywowany GLP-1 może ektopowo specyfikować losy komórek sromki25,31,32.

Guzy proksymalnej linii zarodkowej mogą powstawać również poprzez niekomórkowy mechanizm „ukrytej niszy” (latent niche)33. U mutantów pro-1 lub mutantów z funkcją wzmocnioną glp-1(ar202) opóźnione wejście w mejozę pozwala niedróżnicowanym proksymalnym komórkom linii zarodkowej na kontakt z ligandami DSL, w tym APX-1 i ARG-1, pochodzącymi z dojrzewających komórek osłonki gonad33. Dalsza aktywacja GLP-1/Notch podtrzymuje wówczas mitozę i utrzymanie guza33. W przeciwieństwie do tego, utrata gld-1 powoduje powstawanie guzów linii zarodkowej wskutek niepowodzenia różnicowania meiotycznego i nie powinna być klasyfikowana jako bezpośrednia aktywacja szlaku Notch34.

Sygnalizacja Wnt
Sygnalizacja Wnt reguluje los komórki, polarność, migrację oraz proliferację poprzez wiele zależnych od kontekstu szlaków35,36. W kanonicznej ścieżce β-kateniny wiązanie Wnt do receptorów Frizzled oraz LRP5/6 hamuje kompleks destrukcyjny AXIN–APC–GSK3–CK1, co pozwala na akumulację β-kateniny i jej współpracę z czynnikami TCF/LEF w jądrze komórkowym35,36. Rozregulowanie tej ścieżki odgrywa kluczową rolę w wielu nowotworach u ludzi, w szczególności w raku jelita grubego36.

C. elegans wykorzystuje zarówno kanoniczną ścieżkę BAR-1/β-catenin, jak i odmienną ścieżkę asymetrii Wnt/β-catenin37,38. Sygnalizacja zależna od BAR-1 wpływa na decyzje dotyczące losu komórek w okresie poembrionalnym, w tym na rozwój sromika37,38. W ścieżce asymetrii WRM-1/β-catenin oraz LIT-1/NLK redukują poziom jądrowego POP-1/TCF w jednej z komórek potomnych, podczas gdy SYS-1/β-catenin działa jako koaktywator transkrypcyjny; nierówne poziomy POP-1 i SYS-1 prowadzą do powstania odmiennych losów komórek potomnych37,38,39. Te specyficzne dla nicieni cechy różnią się od kanonicznej ścieżki Wnt u ssaków i powinny być interpretowane jako odrębne architektury sygnalizacyjne37,38.

Niekanoniczne szlaki sygnałowe Wnt kontrolują polaryzację i migrację komórek poprzez ścieżki zależne od białek Frizzled oraz szlaki przypominające kinazy tyrozynowe receptorowe35,40. W organizmach C. elegans ligandy i receptory Wnt kierują migracjami neuronów i mezodermy oraz orientują podziały asymetryczne37,41. Wyniki te są istotne dla biologii nowotworów, ponieważ zaburzona polaryzacja i ruchliwość są warunkami niezbędnymi do inwazji, choć sam niczeń nie służy jako model rozsiewu przerzutowego36,37.

Reprezentatywne fenotypy związane ze szlakiem Wnt obejmują wady rozwoju sromki u zwierząt z utratą funkcji genu bar-142, zaburzenia polarności embrionalnej u mutantów mom-2 lub mom-537,43 oraz defekty migracji komórek lub prowadzenia aksonów u mutantów mig-1 lub prkl-137,41. Szczepy te stanowią specyficzne dla danego szlaku modele rozwojowe i nie są bezpośrednimi odpowiednikami nowotworów złośliwych36,37.

Wybór fenotypów i odczytów istotnych dla nowotworów
Terminu „guz” należy używać ostrożnie w modelach nowotworowych C. elegans6. Guzy linii zarodkowej C. elegans zawierają ektopowo proliferujące komórki zarodkowe z defektem różnicowania, a zatem stanowią najbliższy analog neoplastycznego przerostu u nicieni30,34,44. Z kolei fenotyp wielovulwowy (Muv) odzwierciedla ektopową indukcję losu komórek vulvy i przerost tkanki; jest on czułym odczytem aktywności szlaków RAS/MAPK lub Notch, ale nie jest guzem złośliwym15,16,25. W dystalnej części linii zarodkowej sygnalizacja Notch pochodząca z komórek dystalnego końca (DTC) utrzymuje pulę progenitorów mitotycznych28,44. Allele glp-1 z funkcją wzmocnioną (gain-of-function) lub defekty w genach różnicowania meiotycznego, takich jak gld-1, mogą prowadzić do ekspansji mitotycznych komórek zarodkowych30,34,44. W komórkach prekursorowych vulvy funkcja wzmocniona let-60/RAS lub zmniejszona aktywność negatywnych regulatorów, takich jak LIP-1, może wywołać lub nasilić fenotypy Muv15,16,45. Kategorie te przedstawiono schematycznie na Rysunku 1. Rysunek 1A przedstawia normalny kontekst anatomiczny i podstawowe odczyty stosowane w badaniach nowotworowych z wykorzystaniem C. elegans. Rysunek 1D wiąże zależną od LIN-3/LET-23 sygnalizację RAS/MAPK z decyzjami dotyczącymi losu komórek prekursorowych vulvy, natomiast Rysunek 1E ilustruje sygnalizację GLP-1/Notch w niszy dystalnych komórek macierzystych linii zarodkowej oraz mechanizmy powstawania guzów w niszy utajonej (latent-niche). Rysunek 1F dodatkowo oddziela zależną od BAR-1 kanoniczną gałąź Wnt od szlaku asymetrii Wnt/β-catenin, podkreślając, że odczyty związane z Wnt u C. elegans należy interpretować jako fenotypy rozwojowe lub wrażliwe na dany szlak, a nie jako bezpośrednie modele guzów złośliwych. Zalecane ilościowe punkty końcowe obejmują procent zwierząt Muv, liczbę ektopowych wypustek vulwy, długość strefy mitotycznej, liczbę komórek zarodkowych wykazujących obecność fosfo-histony H3, powierzchnię gonady, płodność, lokalizację reportera oraz zależności dawka-odpowiedź15,28,30,44,45. Tabela 1 podsumowuje reprezentatywne szczepy, ich zmiany molekularne, fenotypy, analizy ilościowe oraz zastosowania w badaniach nowotworowych.

Narzędzia genetyczne i eksperymentalne
Modele C. elegans mogą być generowane za pomocą klasycznej mutogenezy, transgenezy, interferencji RNA (RNAi) lub ukierunkowanej edycji genomu46,47,48. Mikroiniekcja gonad pozwala na wydajne tworzenie macierzy pozachromosomalnych46, natomiast napromieniowanie, bombardowanie mikrocząsteczkami oraz systemy insercji pojedynczej kopii umożliwiają generowanie zintegrowanych linii transgenicznych lub linii o niskiej liczbie kopii, co pozwala ograniczyć artefakty związane z liczbą kopii oraz mozaicyzmem47,48. Rekombinazy specyficzne dla miejsca, insercja pojedynczej kopii zależna od Mos1, nukleazy z palcem cynkowym, TALENy, a w szczególności CRISPR/Cas9 umożliwiają wprowadzanie ukierunkowanych delecji, mutacji punktowych, tagowania endogennego, tworzenia alleli warunkowych oraz wariantów zhumanizowanych48,49. Metoda powinna zostać wybrana w zależności od tego, czy badanie wymaga przejściowego wyciszenia genu (knockdown), stabilnej utraty funkcji, uzyskania funkcji (gain-of-function), specyficzności tkankowej, ekspresji endogennej czy zastąpienia wariantu ludzkiego nowotworowego48,49.

RNAi można wprowadzać poprzez wstrzyknięcia do gonad, moczenie lub podawanie bakterii wykazujących ekspresję dwuniciowego RNA50. Metoda ta jest szybka i skalowalna, jednak wydajność wyciszania różni się w zależności od tkanek i genów, a RNAi generuje fenokopię, a nie zdefiniowany allel dziedziczny50. W przypadku badań nad związkami, walidacja modelu powinna obejmować ratunek genetyczny lub epstazę, niezależne allele oraz ortogonalne odczyty, aby odróżnić efekty specyficzne dla danej ścieżki od toksyczności, opóźnienia rozwojowego lub zmniejszonego spożycia pokarmu6,44.

Praktyczny schemat postępowania przy zastosowaniu tych modeli został podsumowany na Rysunku 2. W ramach tego podejścia pytanie związane z nowotworem jest najpierw powiązane z konserwatywną ścieżką sygnałową i zdefiniowaną zmianą molekularną, a następnie następuje wybór odpowiedniego szczepu C. elegans lub modelu zmodyfikowanego genetycznie, fenotypu ilościowego oraz kontroli walidacyjnych. Taki etapowy projekt pomaga odróżnić modulację specyficzną dla danej ścieżki od ogólnej toksyczności lub opóźnienia rozwojowego i stanowi racjonalną podstawę dla późniejszych zastosowań w badaniach nad mechanizmami, priorytetyzacji związków lub testach opartych na chemosensoryce.

Poprzednie zastosowania
Opublikowane badania ilustrują, w jaki sposób modele C. elegans zdefiniowane pod kątem konkretnych szlaków sygnałowych mogą wspomagać priorytetyzację związków na wczesnym etapie. W platformie EGFR specyficznej dla mutacji, Bae i wsp. wyrazili chimeryczne receptory LET-23 zawierające ludzką domenę tyrozynokinazy EGFR w komórkach sromki, w tym warianty typu dzikiego, L858R oraz T790M/L858R. Aktywujące chimery L858R i T790M/L858R wywołały fenotyp wielosromkowy (Muv), co pozwoliło na wykorzystanie odsetka zwierząt Muv jako ilościowego punktu końcowego przesiewu. Gefitynib i erlotynib hamowały fenotyp Muv związany z L858R, ale nie fenotyp związany z T790M/L858R. W pilotażowym przesiewie 8 960 małych cząsteczek zidentyfikowano AG1478 i U0126 odpowiednio jako inhibitory sygnalizacji zależnej od EGFR lub MEK51. Medina i wsp. dokonali dalszej oceny kandydatów do repositioningu leków: itrakonazolu, disulfiramu, etodolaku i ouabainy w zdefiniowanych szlakowo szczepach mutantów reprezentujących zaburzenia Wnt, Notch oraz RAS–ERK. Odwrócenie sterylności, bezpłodności lub fenotypów Muv służyło jako fenotypowy punkt końcowy do priorytetyzacji związków52. Niedawno Makhoul i wsp. przetestowali EAPB02303 u zwierząt MT2124 let-60(n1046gf) oraz MT4698 let-60(n1700gf). Ilościowo określono zarówno odsetek zwierząt wykazujących fenotyp Muv, jak i liczbę ektopowych sromek na zwierzę, co pozwoliło zaobserwować supresję fenotypową zgodną z obniżoną aktywnością szlaku LET-60/RAS–MAPK. Ich uzupełniające eksperymenty dotyczące długości życia oraz lokalizacji DAF-16 potwierdziły również wpływ na sygnalizację insulin/IGF-1–PI3K–AKT53. Niemniej jednak, odwrócenie fenotypu w tych modelach nicieni powinno być interpretowane jako dowód modulacji szlaku i podstawa do wczesnej priorytetyzacji związków, a nie jako bezpośredni dowód skuteczności przeciwnowotworowej w guzach ssaków.

Modele guzów linii zarodkowej różnią się mechanistycznie w kwestii trwałości proliferacji. Allele glp-1 z funkcją wzmocnioną (gain-of-function) podtrzymują zależną od GLP-1/Notch mitozę w linii zarodkowej, podczas gdy mutanty pro-1 wykazują niekomórkowy, autonomiczny mechanizm nisz latentnych, w którym ligandy DSL komórek osłonowych proksymalnych wspierają aberracyjne utrzymanie mitozy. W przeciwieństwie do nich, utrata funkcji gld-1 powoduje tworzenie guzów linii zarodkowej przede wszystkim poprzez wadliwą dyferencjację meiotyczną, a nie poprzez bezpośrednią aktywację szlaku Notch. Modele te stanowią zatem komplementarne systemy do badania utrzymania komórek macierzystych, zaburzeń dyferencjacji oraz zależnego od mikrośrodowiska inicjowania nowotworów30,33,34.

Inne zastosowania związane z nowotworami obejmują przesiewy letalności syntetycznej LIN-35/Rb, testy apoptozy zależnej od CEP-1/p53 oraz badania sygnalizacji AMPK i PI3K6,44. Zastosowania oparte na chemosensoryce należy rozpatrywać oddzielnie od modelowania guzów i przesiewania leków. W tych badaniach C. elegans są eksponowane na lotne lub moczowe metabolity związane z nowotworami, a odpowiedzi behawioralne są mierzone jako potencjalne sygnały diagnostyczne. Takie testy nie modelują wzrostu guza ani aktywności leków przeciwnowotworowych i wymagają walidacji analitycznej oraz klinicznej przed zastosowaniem w diagnostyce54,55.

Perspektywy
C. elegans jest najbardziej wartościowy w sytuacjach, gdy pytanie biologiczne dotyczy konserwowanych mechanizmów komórkowo-autonomicznych lub systemowych, które można powiązać z fenotypem ilościowym. Jego ograniczenia — w tym brak odporności adaptacyjnej, naczyń krwionośnych, nabłonków specyficznych dla organów oraz naturalnej przerzutowości — wykluczają bezpośrednie modelowanie wielu interakcji między guzem a zrąbem oraz interakcji immunologicznych. Przyszłe możliwości obejmują endogenną edycję wariantów pochodzących od pacjentów, perturbacje specyficzne dla tkanek, obrazowanie wysokoprzepustowe (high-content imaging), zautomatyzowane fenotypowanie oraz integrację genetyki nicieni z genomiką nowotworów ludzkich. Uzyskane wyniki należy traktować jako dowody pozwalające na sformułowanie mechanizmów lub wytypowanie celów terapeutycznych i walidować je w komórkach ssaków lub modelach kręgowców przed wyciągnięciem wniosków translacyjnych.

Wnioski

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

C. elegans stanowi komplementarny, podatny na manipulacje genetyczne system in vivo do analizy konserwowanego sygnalizowania związanego z nowotworami oraz priorytetyzacji potencjalnych celów terapeutycznych lub związków. Jego najbardziej informacyjne zastosowania w sposób bezpośredni łączą zmiany nowotworowe u ludzi z konserwowanym ortologiem u nicieni, kontekstem tkankowym i fenotypami ilościowymi, takimi jak nadmierna proliferacja linii zarodkowej, tworzenie wielu wulw, aktywność reportera lub odpowiedź na lek. Interpretacja musi odróżniać prawdziwe guzy linii zarodkowej od odczytów z szlaków rozwojowych i powinna być potwierdzona przez niezależne allele, ratunek genetyczny lub epistazę, a także kontrole toksyczności i opóźnienia rozwojowego. Chociaż nicień nie może modelować odporności adaptacyjnej, naczyń krwionośnych, specyficznej dla organów architektury ani przerzutów, pozostaje on wartościowy dla szybkiego generowania hipotez i wczesnej walidacji szlaków. Przyszłe prace łączące endogenną edycję wariantów pochodzących od pacjentów, perturbacje specyficzne dla tkanek, zautomatyzowane fenotypowanie i walidację międzygatunkową wzmocnią translację do biologii nowotworów ssaków.

figure-results-1
Rysunek 1. Zaburzenia sygnalizacji związanej z nowotworami zachowane u C. elegans. (A) Anatomia typu dzikiego i prawidłowe odczyty. (B) Nadmierny rozrost linii zarodkowej o charakterze nowotworowym z rozszerzonymi odczytami strefy mitotycznej. (C) Fenotyp wielowulwowy (Muv) jako mierzalny odczyt szlaku sygnalizacyjnego. (D) Sygnalizacja LIN-3/LET-23 RAS/MAPK w komórkach prekursorowych wulwy. (E) Sygnalizacja GLP-1/Notch w niszy komórek macierzystych linii zarodkowej i mechanizmy nowotworowe w niszy utajonej. (F) Gałęzie szlaku Wnt u C. elegans są podzielone na kanoniczną gałąź zależną od BAR-1 oraz szlak asymetrii Wnt/β-catenin. Fenotypy Muv i związane z Wnt są odczytami rozwojowymi lub wrażliwymi na szlaki sygnalizacyjne, a nie bezpośrednimi modelami nowotworów złośliwych. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rycina 2. Praktyczne ramy łączące modele C. elegans z mechanizmami i zastosowaniami związanymi z nowotworami. Przepływ pracy łączy wybór ścieżki sygnałowej, definicję zmiany molekularnej, wybór odczytu modelu, walidację ilościową oraz zastosowanie w onkologii. Reprezentatywne przykłady obejmują testy supresji fenotypu Muv w szlaku RAS/MAPK, badania mechanizmów guzów linii zarodkowej, kontrole szlaków i toksyczności oraz zastosowania oparte na chemosensoryce niezwiązane z nowotworami. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

SzczepGenotypZmiana molekularna / odgałęzienie szlakuFenotyp / odczytZalecany ilościowy punkt końcowyReprezentatywne zastosowanie / ostrzeżenia
CB1026lin-1(e1026) IV.wyjście transkrypcyjne RAS/MAPK; represor ETS LIN-1 w dół szlaku MPK-1/ERKMultivulva (Muv)% zwierząt Muv; ektopowe wypustki wulwy/zwierzęwyjście RAS/MAPK w wulwie; odczyt szlaku rozwojowego, nie guz nowotworowy
CB1275lin-1(e1275) IV.wyjście transkrypcyjne RAS/MAPKMuv% Muv; wypustki/zwierzęAlternatywny allel lin-1 do potwierdzenia wyjścia szlaku
MT3516lin-1(e1275) cha-1(p1152) IV.wyjście RAS/MAPK w złożonym tle genetycznymMuv% Muv; czas rozwoju; płodnośćStosować ostrożnie, chyba że tło cha-1 jest istotne dla analizy
MT301lin-31(n301) II.zależne od RAS/MAPK wyjście transkrypcyjne; czynnik forkhead LIN-31Muv% Muv; lokalizacja markerów losu VPCOdczyt losu komórek wulwy w dół szlaku LET-60/MPK-1
MT1001lin-1(e1777) IV.wyjście transkrypcyjne RAS/MAPKMuv% Muv; wypustki/zwierzęSkorygowano z wyjścia związanego z Wnt na RAS/MAPK
MT2124let-60(n1046gf) IV.LET-60/RAS gain of function; nadaktywny sygnał RAS/MAPKMuv% Muv; wypustki/zwierzę; supresja zależna od dawkiPrzesiewanie związków przeciwnowotworowych RAS/MAPK i analizy supresji szlaku
MT4698let-60(n1700gf) IV.LET-60/RAS gain of function; nadaktywny sygnał RAS/MAPKMuv% Muv; wypustki/zwierzę; supresja zależna od dawkiSzczep do przesiewania związków RAS/MAPK; stosowany z MT2124 w badaniach supresji szlaku EAPB02303
MT309lin-15B&lin-15A(n309) X.Syntetyczne multivulva; negatywna regulacja indukcji wulwy/tło dopuszczające RASMuv% Muv; penetracja; wypustki/zwierzęModyfikator lub uwrażliwione tło Muv; nie jest bezpośrednim modelem nowotworu
ZM10942lin-15B&lin-15A(n765) X; hpIs774; hpEx4292.Syntetyczne tło Muv w kontekście reportera/transgenuMuv / odczyt reportera% Muv; lokalizacja/intensywność reporteraStosować, gdy odczyt reportera jest niezbędny; opisać transgen/reporter w tekście
JK590glp-1(q35)/eT1 III; him-5(e1490)/eT1 V.Truncacja C-końca receptora GLP-1/Notch; półdominacyjne Muv z fenotypem GlpMuv sterylne / Glp% Muv; sterylność; liczba potomstwaOdczyt rozwojowy wulwy/linii zarodkowej zależny od Notch; nie grupować z dystalnymi modelami nowotworów linii zarodkowej
GC833glp-1(ar202) III.GLP-1/Notch gain of functionNowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; powierzchnia gonady; płodnośćModel nowotworu linii zarodkowej z trwałą mitozą zależną od Notch
BS3164unc-32(e189) glp-1(ar202) III.GLP-1/Notch gain of function z markerem/tłem unc-32Nowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; powierzchnia gonady; płodnośćAlternatywne tło glp-1(ar202); określić marker/tło w metodach
GC565pro-1(na48)/mIn1 [dpy-10(e128) mIs14] II.Model latentnej niszy; opóźnione wejście w mejozę umożliwia ekspozycję proksymalnego ligandu DSL i aktywację GLP-1/NotchProksymalny nowotwór linii zarodkowejProksymalne komórki mitotyczne; komórki pH3+; powierzchnia gonady; płodnośćNieautonomiczna inicjacja nowotworu; odróżnić od bezpośredniego gain of function glp-1
IT540gap-3(kp1) I; puf-8(zh17) unc-4(e120)/mnC1 [dpy-10(e128) unc-52(e444)] II.Mieszane tło związane z RAS/MAPK oraz wiązaniem RNA/różnicowaniemMuv i nowotwór linii zarodkowej% Muv; długość strefy mitotycznej; komórki pH3+; płodnośćStosować tylko przy jasnym uzasadnieniu mechanistycznym, ponieważ fenotypy wynikają z mieszanych szlaków
XA774gld-1(q485)/gna-2(qa705) unc-55(e1170) I.Błąd różnicowania meiotycznego GLD; nie jest to bezpośrednia aktywacja NotchNowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; powierzchnia gonady; płodnośćModel błędu różnicowania meiotycznego; nie oznaczać jako Notch
JK3025gld-1(q485) I/hT2 [bli-4(e937) let-?(q782) qIs48] (I;III).Błąd różnicowania meiotycznego GLDNowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; płodnośćZbalansowany model nowotworu gld-1; odróżnić od nowotworów glp-1/Notch
JK1466gld-1(q485)/dpy-5(e61) unc-13(e51) I.Błąd różnicowania meiotycznego GLDNowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; płodnośćAlternatywne tło gld-1; odróżnić od nowotworów indukowanych przez Notch
JK4299gld-2(q497) gld-1(q361) I/hT2 [bli-4(e937) let-?(q782) qIs48] (I;III).Szlak wejścia w mejozę/różnicowania GLD-1/GLD-2Nowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; płodnośćModel nowotworu szlaku GLD; nie jest to bezpośrednia aktywacja Notch
JK4832gld-1(q485) gld-2(q497) lst-1(ok814) sygl-1(tm5040) I/hT2 [bli-4(e937) let-?(q782) qIs48] (I;III).Szlak GLD oraz tło regulatora komórek macierzystychNowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; płodność; ekspresja markerówMechanistycznie złożony model losu GLD/komórek macierzystych; określić dokładną hipotezę
JK2879gld-2(q497) gld-1(q485)/hT2 [bli-4(e937) let-?(q782) qIs48] (I;III).Szlak różnicowania GLD-1/GLD-2Nowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; płodnośćAlternatywny zbalansowany model nowotworu szlaku GLD
BS3156unc-13(e51) gld-1(q485)/hT2 [dpy-18(h662)] I; +/hT2 [bli-4(e937)] III.Błąd różnicowania meiotycznego GLD z mutacjami markerów/tłaNowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; płodnośćStosować z jasno określonym tłem genotypowym
JK5760lst-1(ok814) sygl-1(q828) gld-2(q497) gld-1(q361) I/hT2 [bli-4(e937) let-?(q782) qIs48] (I;III).Szlak GLD oraz tło celu Notch/regulatora komórek macierzystychNowotwór linii zarodkowejDługość strefy mitotycznej; komórki pH3+; płodność; ekspresja markerów komórek macierzystychZłożony model różnicowania/komórek macierzystych linii zarodkowej; nie klasyfikować ogólnie jako „Notch”

Tabela 1: Reprezentatywne szczepy mutantów C. elegans oraz zalecane wskaźniki analizy szlaków związanych z nowotworami. Nomenklatura szczepów i genotypy oparto na zapisach CGC/WormBase; adnotacje dotyczące szlaków i fenotypów15,16,25,30,33,34,44,45,51,52,53. Tabela ta podsumowuje reprezentatywne szczepy ilustrujące powszechnie stosowane wskaźniki specyficzne dla szlaków w badaniach nad nowotworami prowadzonych na C. elegans.

Skróty: CGC, Caenorhabditis Genetics Center; DSL, ligand z rodziny Delta/Serrate/LAG-2; EGFR, receptor epidermalnego czynnika wzrostu; ERK, kinaza regulowana sygnałami zewnątrzkomórkowymi; gf, gain-of-function (wzmocnienie funkcji); GLD, wadliwy rozwój linii zarodkowej; Glp, fenotyp z defektem proliferacji linii zarodkowej; lf, loss-of-function (utrata funkcji); MAPK, kinaza białkowa aktywowana mitogenem; MEK, kinaza MAPK/ERK; Muv, wielowulwowy; pH3+, dodatni pod kątem fosfo-histony H3; RAS, sarkoma szczura; RNAi, interferencja RNA; VPC, komórka prekursorowa wulwy; Wnt, wingless/integrated. ETS, E26 transformation-specific.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dziękujemy Caenorhabditis Genetics Center, finansowanemu przez NIH Office of Research Infrastructure Programs (P40 OD010440), za udostępnienie informacji o szczepach oraz zasobów. Praca ta była wspierana przez Zhejiang Provincial Health Bureau Science Foundation (nr 2025KY1608).

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bray F, et al. Global cancer statistics 2022: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA Cancer J Clin. 2024;74(3):229-263.
  2. Soerjomataram I, Bray F. Planning for tomorrow: global cancer incidence and the role of prevention 2020-2070. Nat Rev Clin Oncol. 2021;18(10):663-672.
  3. Corsi AK, Wightman B, Chalfie M. A transparent window into biology: a primer on Caenorhabditis elegans. Genetics. 2015;200(2):387-407.
  4. Kim W, Underwood RS, Greenwald I, Shaye DD. OrthoList 2: a new comparative genomic analysis of human and Caenorhabditis elegans genes. Genetics. 2018;210(2):445-461.
  5. Lai CH, Chou CY, Ch'ang LY, Liu CS, Lin WC. Identification of novel human genes evolutionarily conserved in Caenorhabditis elegans by comparative proteomics. Genome Res. 2000;10(5):703-713.
  6. Cerón J. Caenorhabditis elegans for research on cancer hallmarks. Dis Model Mech. 2023;16(6):dmm050079.
  7. Lemmon MA, Schlessinger J. Cell signaling by receptor tyrosine kinases. Cell. 2010;141(7):1117-1134.
  8. Karnoub AE, Weinberg RA. Ras oncogenes: split personalities. Nat Rev Mol Cell Biol. 2008;9(7):517-531.
  9. Udell CM, Rajakulendran T, Sicheri F, Therrien M. Mechanistic principles of RAF kinase signaling. Cell Mol Life Sci. 2011;68(4):553-565.
  10. Yoon S, Seger R. The extracellular signal-regulated kinase: multiple substrates regulate diverse cellular functions. Growth Factors. 2006;24(1):21-44.
  11. Malumbres M, Barbacid M. RAS oncogenes: the first 30 years. Nat Rev Cancer. 2003;3(6):459-465.
  12. Sundaram MV. Canonical RTK-Ras-ERK signaling and related alternative pathways. WormBook. 2013:1-38.
  13. Hill RJ, Sternberg PW. The gene lin-3 encodes an inductive signal for vulval development in C. elegans. Nature. 1992;358(6386):470-476.
  14. Aroian RV, Koga M, Mendel JE, Ohshima Y, Sternberg PW. The let-23 gene necessary for Caenorhabditis elegans vulval induction encodes a tyrosine kinase of the EGF receptor subfamily. Nature. 1990;348(6303):693-699.
  15. Shin H, Reiner DJ. The signaling network controlling C. elegans vulval cell fate patterning. J Dev Biol. 2018;6(4):30.
  16. Han M, Aroian RV, Sternberg PW. The let-60 locus controls the switch between vulval and nonvulval cell fates in Caenorhabditis elegans. Genetics. 1990;126(4):899-913.
  17. Abdus-Saboor I, et al. Notch and Ras promote sequential steps of excretory tube development in C. elegans. Development. 2011;138(16):3545-3555.
  18. Chang C, Newman AP, Sternberg PW. Reciprocal EGF signaling back to the uterus from the induced C. elegans vulva coordinates morphogenesis of epithelia. Curr Biol. 1999;9(5):237-246.
  19. Chamberlin HM, Sternberg PW. The lin-3/let-23 pathway mediates inductive signaling during male spicule development in Caenorhabditis elegans. Development. 1994;120(10):2713-2721.
  20. DeVore DL, Horvitz HR, Stern MJ. An FGF receptor signaling pathway is required for the normal cell migrations of the sex myoblasts in C. elegans hermaphrodites. Cell. 1995;83(4):611-620.
  21. Szewczyk NJ, Jacobson LA. Activated EGL-15 FGF receptor promotes protein degradation in muscles of Caenorhabditis elegans. EMBO J. 2003;22(19):5058-5067.
  22. Bülow HE, Boulin T, Hobert O. Differential functions of the C. elegans FGF receptor in axon outgrowth and maintenance of axon position. Neuron. 2004;42(3):367-374.
  23. Huang P, Stern MJ. FGF signaling functions in the hypodermis to regulate fluid balance in C. elegans. Development. 2004;131(11):2595-2604.
  24. Kopan R, Ilagan MXG. The canonical Notch signaling pathway: unfolding the activation mechanism. Cell. 2009;137(2):216-233.
  25. Greenwald I, Kovall R. Notch signaling: genetics and structure. WormBook. 2013:1-28.
  26. Kimble J, Seidel H. C. elegans germline stem cells and their niche. StemBook. 2013.
  27. Chen J, et al. GLP-1 Notch-LAG-1 CSL control of the germline stem cell fate is mediated by transcriptional targets lst-1 and sygl-1. PLoS Genet. 2020;16(3):e1008650.
  28. Kimble J, Crittenden SL. Germline proliferation and its control. WormBook. 2005:1-14.
  29. Austin J, Kimble J. glp-1 is required in the germ line for regulation of the decision between mitosis and meiosis in C. elegans. Cell. 1987;51(4):589-599.
  30. Berry LW, Westlund B, Schedl T. Germ-line tumor formation caused by activation of glp-1, a Caenorhabditis elegans member of the Notch family of receptors. Development. 1997;124(4):925-936.
  31. Seydoux G, Greenwald I. Cell autonomy of lin-12 function in a cell fate decision in C. elegans. Cell. 1989;57(7):1237-1245.
  32. Mango SE, Maine EM, Kimble J. Carboxy-terminal truncation activates glp-1 protein to specify vulval fates in Caenorhabditis elegans. Nature. 1991;352(6338):811-815.
  33. McGovern M, Voutev R, Maciejowski J, Corsi AK, Hubbard EJA. A latent niche mechanism for tumor initiation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009;106(28):11617-11622.
  34. Francis R, Barton MK, Kimble J, Schedl T. gld-1, a tumor suppressor gene required for oocyte development in Caenorhabditis elegans. Genetics. 1995;139(2):579-606.
  35. Angers S, Moon RT. Proximal events in Wnt signal transduction. Nat Rev Mol Cell Biol. 2009;10(7):468-477.
  36. Clevers H, Nusse R. Wnt/β-catenin signaling and disease. Cell. 2012;149(6):1192-1205.
  37. Sawa H, Korswagen HC. Wnt signaling in C. elegans. WormBook. 2013:1-30.
  38. Jackson BM, Eisenmann DM. β-catenin-dependent Wnt signaling in C. elegans. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012;4(8):a007948.
  39. Liu J, Phillips BT, Amaya MF, Kimble J, Xu W. The C. elegans SYS-1 protein is a bona fide beta-catenin. Dev Cell. 2008;14(5):751-761.
  40. Green JL, Kuntz SG, Sternberg PW. Ror receptor tyrosine kinases: orphans no more. Trends Cell Biol. 2008;18(11):536-544.
  41. Ackley BD. Wnt-signaling and planar cell polarity genes regulate axon guidance along the anteroposterior axis in C. elegans. Dev Neurobiol. 2014;74(8):781-796.
  42. Eisenmann DM, Maloof JN, Simske JS, Kenyon C, Kim SK. The beta-catenin homolog BAR-1 and LET-60 Ras coordinately regulate the Hox gene lin-39 during Caenorhabditis elegans vulval development. Development. 1998;125(18):3667-3680.
  43. Park FD, Tenlen JR, Priess JR. C. elegans MOM-5/frizzled functions in MOM-2/Wnt-independent cell polarity and is localized asymmetrically prior to cell division. Curr Biol. 2004;14(24):2252-2258.
  44. Jones M, Norman M, Tiet AM, Lee J, Lee MH. C. elegans germline as three distinct tumor models. Biology (Basel). 2024;13(6):425.
  45. Berset T, Hoier EF, Battu G, Canevascini S, Hajnal A. Notch inhibition of RAS signaling through MAP kinase phosphatase LIP-1 during C. elegans vulval development. Science. 2001;291(5506):1055-1058.
  46. Mello CC, Kramer JM, Stinchcomb D, Ambros V. Efficient gene transfer in C. elegans: extrachromosomal maintenance and integration of transforming sequences. EMBO J. 1991;10(12):3959-3970.
  47. Praitis V, Casey E, Collar D, Austin J. Creation of low-copy integrated transgenic lines in Caenorhabditis elegans. Genetics. 2001;157(3):1217-1226.
  48. Chen X, Feng X, Guang S. Targeted genome engineering in Caenorhabditis elegans. Cell Biosci. 2016;6:60.
  49. Dickinson DJ, Goldstein B. CRISPR-based methods for Caenorhabditis elegans genome engineering. Genetics. 2016;202(3):885-901.
  50. Ahringer J. Reverse genetics. WormBook. 2006:1-43.
  51. Bae YK, et al. An in vivo C. elegans model system for screening EGFR-inhibiting anticancer drugs. PLoS One. 2012;7(9):e42441.
  52. Medina PM, Ponce JM, Cruz CA. Revealing the anticancer potential of candidate drugs in vivo using Caenorhabditis elegans mutant strains. Transl Oncol. 2021;14(1):100940.
  53. Makhoul P, et al. Uncovering the molecular pathways implicated in the anticancer activity of the imidazoquinoxaline derivative EAPB02303 using a Caenorhabditis elegans model. Int J Mol Sci. 2024;25(14):7785.
  54. Hirotsu T, et al. A highly accurate inclusive cancer screening test using Caenorhabditis elegans scent detection. PLoS One. 2015;10(3):e0118699.
  55. Lanza E, et al. C. elegans-based chemosensation strategy for the early detection of cancer metabolites in urine samples. Sci Rep. 2021;11:17133.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Cancer ResearchCaenorhabditis eleganscancer modelcancer signalgermline tumorMulti vulval

Powiązane artykuły