Uma Introdução a Caenorhabditis elegans

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.