3.3: Uma Introdução a Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans, ou "vermes" para os cientistas que os estudam, revolucionaram a maneira como abordamos os estudos genéticos para entender como os genes regulam as atividades celulares. A genética simples do verme, o corpo transparente e a facilidade de cultivo os tornam um sistema ideal para estudar o desenvolvimento embrionário, funções neuronais, expectativa de vida 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 com aproximadamente 1 mm de comprimento. Eles têm corpo cilíndrico alongado sem segmentação e sem apêndices. Os vermes têm um corpo transparente durante todo o seu ciclo de vida e existem como hermafroditas e machos. Os hermafroditas são capazes de se autofecundar e acasalar com machos.

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

Em laboratório, eles são cultivados em placas de Petri contendo agarose em um gramado da bactéria E. coli.

A vida útil 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 põe 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 os fundamentos do C. elegans, vamos aprender o que os torna um poderoso organismo modelo. Primeiro, é relativamente barato e fácil de cultivar minhocas em meio sólido ou líquido.

Em segundo lugar, como permanecem transparentes durante todo o ciclo de vida, toda a anatomia do verme é facilmente visualizada por microscopia de luz. 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 Green Fluorescent Protein (ou GFP), sejam facilmente visualizados em vermes vivos.

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

Quarto, os vermes são fáceis de manipular geneticamente. Ao examinar as mutações, os pesquisadores obtêm informações sobre a função do gene, e as mutações podem ser introduzidas em vermes por tratamento com produtos químicos e pela exposição à radiação UV. As telas de alto rendimento em todo o genoma são fáceis de executar com vermes em placas de 96 poços. Isso permite que vários genes sejam rastreados simultaneamente quanto ao seu envolvimento em um determinado fenômeno biológico ou comportamento. Além disso, o centro genético C. elegans, ou CGC, mantém um grande repositório de mutantes, que estão disponíveis para os 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 tornaram 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 minhocas é muito amigável e desenvolveu muitos recursos on-line úteis para estudar minhocas.

Dadas todas as características que tornam o C. elegans um sistema modelo tão atraente, não é de admirar que muitas descobertas marcantes tenham sido feitas pelo estudo de 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 do gene. Em 1974, ele publicou os resultados de sua triagem genética, que procurava fenótipos visuais, como corpo atarracado, 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 à medida que se dividia e se diferenciava e descobriu que as primeiras cinco divisões celulares produzem seis células fundadoras que se diferenciam para, em última análise, 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 de morte para o desenvolvimento normal do verme e de outros organismos. Seu trabalho sobre morte celular programada, ou apoptose, teve um grande impacto em nossa compreensão dos 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 realizado em C. elegans.

Em 2006, Andrew Fire e Craig Mello dividiram o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina por seu trabalho inovador sobre interferência de RNA, ou RNAi, um processo que resulta no silenciamento de genes por meio da degradação de moléculas específicas de mRNA. A tecnologia de 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 foi 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 em si, eles têm um sistema nervoso bastante sofisticado composto por 302 neurônios ? quase um terço do total de 959 células encontradas em um hermafrodita adulto. Os vermes respondem a pistas ambientais, como disponibilidade de alimentos, densidade populacional ou produtos químicos, como quimioatraentes. Além das triagens genéticas, a ablação a laser ? isto é, corte seletivo de neurônios com feixes de 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 de C. elegans já foi mapeada.

Os vermes também são a escolha ideal para estudos de envelhecimento. A curta vida útil do verme permitiu que os pesquisadores realizassem exames genéticos para encontrar genes de longevidade. Embora muitos desses genes sejam conservados em humanos, ainda não sabemos se eles afetam ou não a expectativa de vida das pessoas.

A pesquisa de vermes também avançou nosso conhecimento sobre doenças humanas. Repórteres fluorescentes têm sido usados em vermes para imitar a agregação; isto é, a aglomeração de proteínas mal dobradas, como a alfa-sinucleína. Esses agregados causam degeneração dos neurônios, resultando em déficits motores. Telas genéticas em vermes ajudaram a identificar genes que impedem a perda de neurônios em doenças neurodegenerativas, como Parkinson e Alzheimer.

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