Uma Introdução a Caenorhabditis elegans

An Introduction to <em>Caenorhabditis elegans</em>

JoVE Science Education
Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

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JoVE Science Education Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

An Introduction to Caenorhabditis elegans

3.2: Drosophila Maintenance

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09:13 min

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May 10, 2013

Overview

Caenorhabditis elegans é uma lombriga microscópica que habita o solo que tem sido poderosamente usada como organismo modelo desde o início da década de 1970. Foi inicialmente proposto como modelo de biologia do desenvolvimento devido ao seu plano corporal invariante, facilidade de manipulação genética e baixo custo de manutenção. Desde então, C. elegans cresceu rapidamente em popularidade e agora é utilizado em numerosos esforços de pesquisa, desde o estudo das forças no trabalho durante a locomoção até estudos de circuitos neurais.

Este vídeo fornece uma visão geral da biologia básica de C. elegans, uma linha do tempo dos muitos marcos em sua curta, mas histórica história, e finalmente algumas aplicações emocionantes usando C. elegans como um organismo modelo.

Procedure

Caenorhabditis elegans, ou “vermes” para os cientistas que os estudam, revolucionaram a maneira como abordamos estudos genéticos para entender como os genes regulam as atividades celulares. A genética simples do verme, o corpo transparente e a facilidade de cultivo fazem deles um sistema ideal para estudar o desenvolvimento embrionário, funções neuronais, vida útil e envelhecimento, e base molecular de algumas doenças humanas.

Primeiro, vamos conhecer C. elegans como um organismo modelo. Caenorhabditis elegans pertence ao filo Nematoda do reino animal. C. elegans são organismos multicelulares que têm aproximadamente 1 mm de comprimento. Eles têm corpo cilíndrico alongado sem segmentação e sem apêndices. Os vermes têm um corpo transparente ao longo de seu ciclo de vida, e existem como hermafroditas e machos. As hermafroditas são capazes de auto-fertilização e acasalamento com machos.

Nematoides vivem principalmente no solo com um nível constante de umidade e oxigênio

No laboratório, eles são cultivados em pratos petri contendo agarose em um gramado da bactéria E. coli.

O tempo de vida do verme é de cerca de 14 dias. Eles passam por 4 estágios larvais, L1 a L4, à medida que amadurecem de um ovo para um pai que coloca ovos. O desenvolvimento de vermes é afetado pela temperatura, e em laboratório, eles são cultivados a 15 °C, 20 °C ou 25 °C.

Agora que revisamos o básico de C. elegans, vamos aprender o que faz deles um poderoso organismo modelo. Em primeiro lugar, é relativamente barato e fácil de cultivar vermes em meio sólido ou líquido.

Em segundo lugar, como eles permanecem transparentes ao longo de seu ciclo de vida, toda a anatomia de vermes é facilmente vista por microscopia leve. Este atributo é particularmente útil para estudar o desenvolvimento de vermes, pois as linhagens celulares individuais podem ser facilmente rastreadas. A transparência também permite que repórteres fluorescentes, como a Proteína Fluorescente Verde (ou GFP), sejam facilmente vistos em vermes vivos.

Terceiro, C. elegans são muito férteis; cada hermafrodita coloca cerca de 300 ovos após a auto-fertilização. Portanto, é fácil obter vermes em grande número. Além disso, os vermes atingem a maturidade reprodutiva em apenas 3,5 dias a 20 °C.

Em quarto lugar, vermes são fáceis de manipular geneticamente. Examinando mutações, os pesquisadores ganham uma visão sobre a função genética, e mutações podem ser introduzidas em vermes por tratamento com produtos químicos e pela exposição à radiação UV. Telas de alto rendimento são fáceis de executar com vermes em 96 placas de poço. Isso permite que numerosos genes sejam simultaneamente examinados por seu envolvimento em um fenômeno ou comportamento biológico particular. Além disso, o Centro Genético C. elegans, ou CGC, mantém um grande repositório de mutantes, que estão disponíveis aos pesquisadores por uma pequena taxa.

Quinto, C. elegans foi o primeiro organismo multicelular a ter um genoma completamente sequenciado. A sequência completa, e um mapa cromossômico detalhado, tornou a análise genética mais rápida e fácil. A análise de sequência mostra que muitos genes são conservados entre humanos e vermes.

Finalmente, além de todas essas vantagens, a comunidade de pesquisa de vermes é muito amigável, e desenvolveu muitos recursos on-line úteis para estudar worms.

Dadas todas as características que tornam C. elegans um sistema de modelos tão atraente, não é de admirar que muitas descobertas marcantes tenham sido feitas estudando vermes. Vamos dar uma olhada em alguns deles.

Em 1963, Sydney Brenner decidiu estabelecer C. elegans como um sistema modelo, e o usou para explorar a função genética. Em 1974, ele publicou os resultados de sua tela genética, que procurava fenótipos visuais, como corpo lixeiro, movimento descoordenado e transformadores.

Em 1976, John Sulston, que trabalhou com Brenner, publicou uma linhagem celular completa de C. elegans. Ele acompanhou a descida de cada célula, pois ela se dividiu e diferenciou e descobriu que as cinco primeiras divisões celulares produzem seis células fundadoras que se diferenciam para, em última instância, dar origem a todos os diferentes tecidos do organismo.

Em 1986, Robert Horvitz publicou seu trabalho pioneiro sobre a descoberta de “genes da morte”. À medida que as células se dividem e se diferenciam, algumas células são eliminadas pela ativação de genes da morte para o desenvolvimento normal do verme e outros organismos. Seu trabalho sobre morte celular programada, ou apoptose, teve um grande impacto na nossa compreensão de eventos de desenvolvimento em mamíferos, câncer e doenças neurodegenerativas.

Em 2002, Sydney Brenner, John Sulston e Robert Horvitz dividiram o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina por seu trabalho seminal feito em C. elegans.

Em 2006, Andrew Fire e Craig Mello compartilharam o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina por seu trabalho inovador sobre a interferência do RNA, ou RNAi, um processo que resulta no silenciamento de genes através da degradação de moléculas específicas de mRNA. Atualmente, a tecnologia RNAi está sendo desenvolvida para uso terapêutico.

Em 2008, Martin Chalfie recebeu o Prêmio Nobel de Química por mostrar que a Proteína Fluorescente Verde (ou GFP) poderia ser expressa em C. elegans e usada como repórter fluorescente. Desde então, a GFP tem sido expressa em todos os principais organismos modelo.

Como um organismo modelo, C. elegans pode ser usado para responder a muitas questões científicas importantes.

Por exemplo, os vermes são um sistema modelo altamente conveniente para estudar neurobiologia. Embora os vermes não tenham um cérebro propário em si, eles têm um sistema nervoso bastante sofisticado composto por 302 neurônios – quase um terço do total de 959 células encontradas em uma hermafrodita adulta. Os vermes respondem a sinais ambientais, como disponibilidade de alimentos, densidade populacional ou produtos químicos, como quimioattractants. Além das telas genéticas, a ablação a laser — ou seja, corte seletivo de neurônios com raios laser — e eletrofisiologia nos levaram a apreciar como os neurônios funcionam e se comunicam em organismos multicelulares. Na verdade, toda a conectividade do sistema nervoso C. elegans foi agora mapeada.

Vermes também são a escolha ideal para estudos de envelhecimento. O curto tempo de vida do verme permitiu que os pesquisadores conduzissem telas genéticas para encontrar genes de longevidade. Embora muitos desses genes sejam conservados em humanos, ainda não sabemos se afetam ou não a vida útil das pessoas.

A pesquisa de vermes também avançou nosso conhecimento sobre doenças humanas. Repórteres fluorescentes têm sido usados em vermes para imitar agregação; ou seja, o agrupamento de proteínas mal dobradas, como a alfa-sinucleína. Esses agregados fazem com que os neurônios se degeneram, resultando em déficits motores. Telas genéticas em vermes ajudaram a identificar genes que previnem a perda de neurônios em doenças neurodegenerativas, como Parkinson e Doença de Alzheimer.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE a Caenorhabditis elegans. Neste vídeo, revisamos as características de C. elegans e as razões que fazem dos vermes um poderoso organismo modelo. Este minúsculo verme, com sua genética simples e sistema nervoso diminutivo, nos ajudou a entender inúmeros aspectos do desenvolvimento humano, comportamento, envelhecimento e doença. Obrigado por assistir, e boa sorte com sua pesquisa C. Elegans.

Transcript

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.