$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Мейоз - это специализированное деление клеток, используемое для создания гамет (яйцеклеток и сперматозоидов/ пыльцы) во всех половых организмах 1,2. Перекрестная рекомбинация — реципрокный обмен ДНК между гомологичными хромосомами; он имеет важное значение для мейоза, являясь важным источником генетического разнообразия и способствуя стабильности генома на протяжении поколений. Хромосомы, которые не образуют по крайней мере один кроссовер во время мейоза, будут разделяться случайным образом, что может привести к нерассходованию хромосом, создавая гаметы с неправильным количеством хромосом - состояние, которое обычно является фатальным для результирующего потомства3. Во время мейоза кроссоверы индуцируются запрограммированными двухцепочечными разрывами ДНК4. Подмножество этих разрывов будет восстановлено в виде кроссоверов, которые обеспечивают физические связи ДНК, называемые хиазматами, которые помогают ориентировать гомологичные хромосомы при подготовке к делению клеток5. Мейотические стадии сильно сохраняются у всех эукариот, и их хромосомная конформация позволяет легко их идентифицировать.
Как фундаментальная концепция в биологии, мейоз является темой, с которой студенты сталкиваются несколько раз на разных курсах биологии. Они часто знакомятся с механикой сегрегации мейотических хромосом в средней школе, в то время как курсы на уровне колледжа сосредоточены на клеточной биологии сегрегации и генетическом воздействии перекрестной рекомбинации. Тем не менее, мейоз является общеизвестной сложной концепцией для многих студентов1. Неспособность понять взаимосвязь между генами, ДНК, хромосомами и мейозом может породить заблуждения студентов и пробелы в понимании, которые препятствуют полному пониманию генетического наследования 6,7. Одним из способов улучшить понимание учащимися абстрактных тем является предоставление конкретных, практических занятий. Например, при обучении мейозу преподаватели могут выбирать из мероприятий, которые имитируют молекулярный анализ8, 3D-моделей, которые позволяют студентам манипулировать молекулами9, или ролевых игр, где студенты сами разыгрывают молекулярную хореографию1. Включение исследований с неизвестными результатами является особенно эффективным способом улучшения понимания студентами. Эта практика известна как основанный на курсе исследовательский опыт бакалавриата (CURE) и имеет дополнительное преимущество в укреплении отношения студентов и свободы воли, особенно для тех, кто принадлежит к группам, которые остаются недостаточно представленными в STEM10,11. Червь-нематода Caenorhabditis elegans особенно поддается классным исследованиям поведения, фертильности и генетических скрещиваний и является эффективной моделью для ознакомления студентов с биологическими исследованиями12.
C. elegans создает мощный модельный организм для клеточной биологии, сочетая молекулярную генетику с простым цитологическим анализом. Он также особенно хорошо подходит для использования в классе биологии 13,14,15. Они просты и экономичны в обслуживании в лаборатории, производя сотни потомства каждые 3 дня, как при стандартной комнатной температуре, так и при 20 ° C, наиболее распространенной температуре инкубации. Важно отметить, что их можно заморозить как запасы глицерина и хранить в морозильной камере -80 ° C, что означает, что любые ошибки в животноводстве, допущенные начинающими исследователями, могут быть легко исправлены16. Кроме того, его хорошо аннотированный геном позволяет использовать прямые и обратные генетические методы 17,18, что позволяет использовать C. elegans для решения биологических вопросов, начиная от молекулярных до эволюционных. Наконец, исследователи C. elegans создали поддерживающее сообщество, которое часто готово предоставить помощь и советы для начинающих ученых19. Эти преимущества привели к тому, что C. elegans были включены в ряд CURE в различных типах учреждений 12,19,20,21,22,23.
В дополнение к своим преимуществам для исследований и преподавания, C. elegans стал популярной моделью для исследований мейоза и развития зародышевой линии 24,25,26. Оптическая прозрачность этих животных упрощает цитологические подходы27, а у взрослых гонады составляют почти половину животного, обеспечивая сотни мейотических клеток для изучения. В половых железах ядра мейотической зародышевой линии расположены как сборочная линия (рисунок 1); Митотическая репликация происходит на дистальной оконечности гонады, причем ядра прогрессируют через мейотические стадии, когда они мигрируют к проксимальному концу гонады, где оплодотворенные эмбрионы появляются из вульвы. Поскольку стереотипная пространственная организация также представляет собой временную прогрессию через мейоз, различные стадии могут быть легко идентифицированы на основе их хромосомной организации и расположения в гонаде. Наконец, процессы, которые нарушают мейоз и вызывают анеуплоидию, создают фенотипы, которые легко охарактеризовать, даже для новичков: бесплодие, эмбриональная летальность или высокая заболеваемость самцов (фенотип Хима)28.
Это простой протокол визуализации мейотических хромосом у C. elegans. Монтаж, рассечение, фиксация и окрашивание антител выполняются на одном и том же предметном стекле микроскопа, что упрощает протокол и позволяет почти идеально восстанавливать образец. Этот метод работает для простого окрашивания DAPI для визуализации хромосом и может быть использован для иммунофлуоресценции для визуализации локализации белков в гонаде. Студенты препарируют гонады с помощью базовых рассекающих микроскопов, генерируют цельные препараты для визуализации ДНК или иммунофлуоресценции и визуализируют их на составном флуоресцентном микроскопе. Этот протокол преподавался старшеклассникам и магистрантам, работающим в исследовательской лаборатории C. elegans, и включен в CURE в гуманитарном колледже12. Хотя CURE имел относительно небольшой размер класса, этот протокол поддавался бы классам в ряде учреждений из-за относительно низкой стоимости штаммов червей и реагентов. Инструкторы будут ограничены только количеством рассекающих микроскопов, доступных для использования. Предыдущая реализация заставляла студентов работать в группах по три человека, чтобы совместно использовать один микроскоп, и состоялась в течение трех 90-минутных сессий: первая для практики рассечения, вторая для реализации рассечения и окрашивания DAPI, а третья для изображения слайдов на широкоугольном флуоресцентном микроскопе. Участие в исследованиях бакалавриата дает много преимуществ для студентов11,29, как академических, так и личных. Внедрение исследований в курсы через CURE позволяет студентам участвовать в исследованиях в течение обычного временизанятий 11,30,31, что делает воздействие этих преимуществ более доступным и справедливым.