Wprowadzenie do Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans, lub "nicienie" w nomenklaturze naukowców zajmujących się ich badaniem, zrewolucjonizowały sposób podejścia do badań genetycznych służących zrozumieniu regulacji procesów komórkowych przez geny. Prosta genetyka, przezroczyste ciało oraz łatwość hodowli sprawiają, że organizmy te są idealnym systemem do badania rozwoju embrionalnego, funkcji neuronów, długości życia i starzenia się oraz molekularnych podstaw niektórych ludzkich chorób.

Najpierw zapoznajmy się z C. elegans jako organizmem modelowym. Caenorhabditis elegans należy do typu Nematoda królestwa zwierząt. C. elegans to organizmy wielokomórkowe o długości około 1 mm. Posiadają one wydłużone, cylindryczne ciało bez segmentacji i wyrostków. Nicienie te mają przez cały cykl życiowy przezroczyste ciało i występują jako hermafrodyty oraz samce. Hermafrodyty są zdolne zarówno do samopłodzenia, jak i do kopulacji z samcami.

Nicienie żyją głównie w glebie przy stałym poziomie wilgotności i natlenienia

W warunkach laboratoryjnych są hodowane w czarkach Petriego zawierających agarozę, na podłożu z bakterii E. coli.

Długość życia nicienia wynosi około 14 dni. Przechodzą one przez 4 stadia larwalne, od L1 do L4, dojrzewając z jaja do osobnika składającego jaja. Rozwój nicieni zależy od temperatury; w laboratorium są one hodowane w temperaturach 15 °C, 20 °C lub 25 °C.

Po omówieniu podstaw dotyczących C. elegans, dowiedzmy się, co czyni je potężnym organizmem modelowym. Po pierwsze, hodowla nicieni na podłożu stałym lub ciekłym jest stosunkowo tania i łatwa.

Po drugie, ponieważ pozostają one przezroczyste przez cały cykl życiowy, cała anatomia nicienia jest łatwo widoczna w mikroskopii świetlnej. Cecha ta jest szczególnie użyteczna przy badaniu rozwoju nicieni, ponieważ można łatwo śledzić poszczególne linie komórkowe. Przezroczystość pozwala również na łatwą obserwację reporterów fluorescencyjnych, takich jak zielone białko fluorescencyjne (GFP), w żywych organizmach.

Po trzecie, C. elegans są bardzo płodne; każdy hermafrodyta składa około 300 jaj po samozapłodnieniu. Dzięki temu łatwo jest uzyskać nicienie w dużych ilościach. Ponadto nicienie osiągają dojrzałość rozrodczą w ciągu zaledwie 3,5 dnia w temperaturze 20 °C.

Po czwarte, nicienie są łatwe do manipulacji genetycznej. Badając mutacje, naukowcy uzyskują wgląd w funkcje genów; mutacje można wprowadzać do nicieni poprzez traktowanie substancjami chemicznymi oraz ekspozycję na promieniowanie UV. Przesiewy całego genomu wysokoprzepustowe są łatwe do przeprowadzenia z wykorzystaniem nicieni w płytkach 96-dołkowych. Pozwala to na jednoczesne badanie licznych genów pod kątem ich zaangażowania w konkretne zjawisko biologiczne lub zachowanie. Ponadto centrum genetyki C. elegans (CGC) prowadzi obszerny repozytorium mutantów, które są dostępne dla badaczy za niewielką opłatą.

Po piąte, C. elegans był pierwszym organizmem wielokomórkowym z całkowicie zsekwencjonowanym genomem. Pełna sekwencja oraz szczegółowa mapa chromosomowa sprawiły, że analiza genetyczna stała się szybsza i łatwiejsza. Analiza sekwencji wykazuje, że wiele genów jest konserwatywnych pomiędzy ludźmi a nicieniami.

Wreszcie, poza wszystkimi tymi zaletami, społeczność badawcza zajmująca się nicieniami jest bardzo przyjazna i opracowała wiele pomocnych zasobów online do badania tych organizmów.

Biorąc pod uwagę wszystkie cechy, które sprawiają, że C. elegans jest tak atrakcyjnym systemem modelowym, nie dziwi fakt, że badając nicienie dokonano wielu przełomowych odkryć. Przyjrzyjmy się niektórym z nich.

W 1963 roku Sydney Brenner postanowił ustanowić C. elegans jako system modelowy i wykorzystał go do badania funkcji genów. W 1974 roku opublikował wyniki swojego przesiewu genetycznego, w którym poszukiwano fenotypów wizualnych, takich jak krępe ciało (dumpy), nieskoordynowane ruchy (uncoordinated) oraz transformery.

W 1976 roku John Sulston, który współpracował z Brennerem, opublikował pełny rodowód komórkowy C. elegans. Śledził on pochodzenie każdej komórki w miarę jej podziału i różnicowania, odkrywając, że pierwsze pięć podziałów komórkowych daje sześć komórek założycielskich, z których ostatecznie różnicują się wszystkie tkanki organizmu.

W 1986 roku Robert Horvitz opublikował swoją pionierską pracę dotyczącą odkrycia "genów śmierci." W miarę podziału i różnicowania się komórek, niektóre z nich są eliminowane poprzez aktywację genów śmierci, co jest niezbędne dla prawidłowego rozwoju nicieni i innych organizmów. Jego praca nad programowaną śmiercią komórki, czyli apoptozą, miała ogromny wpływ na nasze zrozumienie zdarzeń rozwojowych u ssaków, nowotworów oraz chorób neurodegeneracyjnych.

W 2002 roku Sydney Brenner, John Sulston i Robert Horvitz otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za ich fundamentalne prace przeprowadzone na C. elegans.

W 2006 roku Andrew Fire i Craig Mello zostali uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za przełomowe prace nad interferencją RNA, czyli RNAi – procesem prowadzącym do wyciszania genów poprzez degradację specyficznych cząsteczek mRNA. Technologia RNAi jest obecnie rozwijana pod kątem zastosowań terapeutycznych.

W 2008 roku Martin Chalfie otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za wykazanie, że zielone białko fluorescencyjne (GFP) może być ekspresowane w C. elegans i wykorzystywane jako reporter fluorescencyjny. Od tego czasu GFP jest ekspresowane we wszystkich głównych organizmach modelowych.

Jako organizm modelowy C. elegans może być wykorzystywany do udzielenia odpowiedzi na wiele istotnych pytań naukowych.

Na przykład nicienie stanowią niezwykle wygodny system modelowy do badań nad neurobiologią. Choć nicienie nie posiadają mózgu sensu stricte, dysponują dość rozbudowanym układem nerwowym składającym się z 302 neuronów — co stanowi niemal jedną trzecią z łącznej liczby 959 komórek występujących u dorosłego hermafrodyty. Nicienie reagują na bodźce środowiskowe, takie jak dostępność pokarmu, gęstość populacji czy substancje chemiczne, np. chemoatraktanty. Oprócz przesiewów genetycznych, ablacja laserowa — czyli selektywne niszczenie neuronów wiązkami lasera — oraz elektrofizjologia pozwoliły nam zrozumieć, w jaki sposób neurony funkcjonują i komunikują się w organizmach wielokomórkowych. W rzeczywistości zmapowano już całą łączność układu nerwowego C. elegans.

Nicienie są również idealnym wyborem do badań nad starzeniem. Krótki cykl życia nicieni pozwolił badaczom na przeprowadzenie przesiewów genetycznych w celu znalezienia genów długowieczności. Chociaż wiele z tych genów jest konserwatywnych u ludzi, nie wiemy jeszcze, czy wpływają one na długość życia człowieka.

Badania nad nicieniami poszerzyły również naszą wiedzę o chorobach ludzi. W nicieniach wykorzystano reportery fluorescencyjne do naśladowania agregacji, czyli skupiania się błędnie sfałdowanych białek, takich jak alfa-synukleina. Agregaty te powodują degenerację neuronów, co skutkuje deficytami motorycznymi. Przesiewy genetyczne u nicieni pomogły zidentyfikować geny, które zapobiegają utracie neuronów w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Parkinsona i choroba Alzheimera.

Właśnie obejrzeli Państwo wprowadzenie JoVE do Caenorhabditis elegans. W tym filmie omówiliśmy charakterystykę C. elegans oraz powody, dla których nicienie stanowią potężnego organizmu modelowego. Ten niewielki nicień, dzięki prostej genetyce i miniaturowemu układowi nerwowemu, pomógł nam zrozumieć liczne aspekty ludzkiego rozwoju, zachowania, starzenia się oraz chorób. Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w badaniach nad C. elegans.