Методическая статья

Бесконечные черви прекраснейшие: современные методы использования нематод для изучения эволюционной биологии развития

DOI:

10.3791/64594

10 августа 2022 г.

В этой статье

Аннотация

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ОБСУЖДАЕМЫЕ СТАТЬИ:

Тинтори, С. К., Слоат, С. А., Рокман, М. В. Быстрая изоляция диких нематод с помощью воронки Бермана. Журнал визуализированных экспериментов. (179) (2022).

Кромби, Т. А., Танни, Р. Э., Бьюкенен, К. М., Роберто, Н. М., Андерсен, Э. К. Высокомасштабируемый подход к проведению экологических обследований самоуничтожающихся нематод Caenorhabditis. Журнал визуализированных экспериментов. (181) (2022).

Экли, К., Вашиаши, Л., Кришнамурти, Р., Ротман, Д. Х. Крупномасштабный гравитаксический анализ личинок Caenorhabditis Dauer. Журнал визуализированных экспериментов. (183) (2022).

Вороник, А., Кионтке, К., Джаллад, Р. С., Эррера, Р. А., Фитч, Д. Х. А. Лазерная микродиссекция для видонезависимых применений в одной ткани. Журнал визуализированных экспериментов. (181) (2022).

Каммаллери, С. Р., Нокс, Д., Рой,. Д. Культивирование и экранирование паразитической нематоды растений Ditylenchus dipsaci. Журнал визуализированных экспериментов. (179) (2022).

Херьянто, К., Ратнаппан, Р., О'Халлоран, Д. М., Хоудон, Д. М., Элефтеринос, И. Культивирование и генетическая манипулирование энтомопатогенными нематодами. Журнал визуализированных экспериментов. (181) (2022).

Редакционная статья

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

В 1960-х годах Сидней Бреннер впервые использовал Caenorhabditis elegans, в частности штамм N2, выделенный из Бристоля, Великобритания, для изучения нейробиологиии развития животных. С тех пор основополагающие открытия с использованием этого лабораторного эталонного штамма сыграли важную роль в разгадке регуляции фундаментальных процессов, таких как запрограммированная гибель клеток2, органогенез 3,4,5, старение 6,7, регуляция генов некодирующими РНК 8,9,10,11, описание полных полового диморфизма нейронных коннектомов 12 и многие другие явления в молекулярной, клеточной биологии и биологии развития. Дополненный несколькими «омическими» исследованиями с разрешением13,14 для одиночных клеток, N2, возможно, является наиболее полно описанным многоклеточным. Богатство знаний, полученных в результате изучения N2 за последние шесть десятилетий, послужило трамплином для изучения эволюционной диверсификации механизма, который модулирует развитие генетически различных диких изотипов C. elegans, а также других видов нематод. На сегодняшний день со всего мира выделено более 500 изотипов C. elegans, каждый из которых обладает уникальным гаплотипом15. Этот прогресс значительно облегчил идентификацию генетическихфакторов, ответственных за изменчивость количественных признаков, включая полученные в лаборатории аллели во многих генах, которые модифицируют набор поведенческих черт и признаков развития у N2 (например, ссылки 17,18,19,20). Следовательно, изучение диких червей может дать важную информацию о том, как животные реагируют на окружающую среду таким образом, что это влияет на развитие, физиологию и поведение, а также освещает эволюционные траектории животных. Многие виды рода Caenorhabditis выглядят практически неотличимыми морфологически от C. elegans21,22, что обеспечивает прочную платформу для изучения молекулярного механизма дрейфа систем развития23,24; тем не менее, интересно отметить, что морфология C. elegans, который обитает в гниющем растительном материале, существенно отличается от его ближайшего известного собрата, C. inopinata, обнаруженного только на инжире, вероятно, в результате адаптации ниши25. Внутривидовые и межвидовые сравнительные исследования углубят наше понимание эволюционной истории этих животных. С целью содействия использованию богатых природных ресурсов, которые нематоды предлагают для исследования важных вопросов эволюционной биологии развития и поведенческой биологии, в этом сборнике статей представлены полезные методы для выделения, культивирования и изучения диких червей и видов нематод за пределами видов C. elegans.

В этой коллекции методов Tintori et al.26 и Crombie et al.27 предлагают дополнительные подходы к выделению диких нематод. Tintori et al. описывают простой и экономически эффективный метод выделения нематод в полевых условиях с помощью воронки Бермана. Этот подход позволяет исследователям непредвзятым образом собирать почти всю популяцию нематод из субстратов (например, гниющих фруктов, цветов и стеблей). В противоположность этому, Crombie et al. представляют метод, который обогащает самоопыляющиеся виды Caenorhabdisitis , такие как C. elegans, C. briggsae и C. tropicalis. Кроме того, они содержат подробные инструкции по использованию приложения Fulcrum и программного обеспечения R для эффективного отслеживания и организации образцов нематоды, а также соответствующие экологические данные. Изучение нематод в их естественном контексте даст важную информацию об их экологии, которая формирует сложные черты у этих видов.

Нематоды демонстрируют внутри- и межвидовую изменчивость в поведении, которая способствует адаптации ниши, обеспечивая прекрасную парадигму для изучения генетической основы поведенческой пластичности и нейроотличий 28,29,30. Ackley et al.31 описывают надежный анализ для изучения gravitaxis, который может служить механизмом рассеивания у личинок Дауэра различных видов Caenorhabditis. Поскольку гравитаксическое поведение может подвергаться влиянию других сенсорных входных данных32, Экли и др.31 предлагают простой и экономически эффективный способ защиты животных от света и электромагнитных полей, тем самым предотвращая известную интерференцию этих воздействий окружающей среды на гравитаксическое поведение. Этот анализ будет полезен для изучения молекулярного механизма сенсорной интеграции и эволюции стратегий рассеивания у нематод.

Развитие методов секвенирования РНК одиночных клеток за последнее десятилетие произвело революцию в транскриптомном анализе, позволив исследователям изучать клеточную гетерогенность в многоклеточных организмах с высоким разрешением. У C. elegans выделение различных типов клеток основано на экспрессии тканеспецифичных флуоресцентных маркеров и FACS33, что ограничивает его применение другими видами нематод, для которых трансгенные инструменты недоступны. Woronik et al.34 успешно применяют лазерную микродиссекцию для выделения тканей от червей в отсутствие клеточных маркеров. Они выделяют кончики хвостов у самцов и гермафродитов C. elegans и выполняют РНК-секвенирование с использованием CEL-Seq2 для исследования механизма морфогенеза хвоста; Тем не менее, стоит отметить, что описанный метод может быть легко принят для других типов тканей у различных видов нематод, что позволяет проводить сравнительный анализ транскриптома в тканеспецифическом контексте.

C. elegans и многие паразитические нематоды содержат схожие структуры. Кроме того, многие основные сигнальные системы и пути развития сохраняются между видами35,36. Стеблевая и луковичная нематода, Ditylenchus dipsaci, является паразитической нематодой, поражающей более 500 видов растений во всем мире, что приводит к разрушительной потере продовольственных культур. Cammalleri et al.37 описывают эффективный метод размножения большой популяции D. dipsaci в растениях гороха. Авторы также предоставляют подробный протокол для идентификации низкомолекулярных кандидатов, которые могут служить в качестве нематоцидов, нарушая подвижность червей. Простота лабораторного выращивания в сочетании с недавно доступной последовательностью генома38 делают D. dipsaci полезной моделью для сравнительных исследований с C. elegans, что позволяет раскрыть новые аспекты его биологии и разработать эффективные стратегии биоконтроля.

Наконец, Heryanto et al.39 предлагают метод размножения Heterorhabditis bacteriophora и Steinernema carpocapsae, которые являются энтомофагенными червями, заражающими насекомых и проявляющими мутуалистическую связь с бактериями в их кишечнике. Heryanto et al. также демонстрируют методы получения РНК-интерференции у H. bacteriophora путем микроинъекции дцРНК в гонаду. Предыдущее исследование показало, что эмбрионы Steinernema развиваются медленно и что переход от матери к зиготическому происходит раньше во время эмбриогенеза у Steinernema, чем у Caenorhabditis вида 40. Дальнейшие сравнительные исследования с использованием генетических инструментов, описанных Heryanto et al.39, обещают выявить основы эволюционной диверсификации программ развития у этих отдаленно родственных видов, а также новые взгляды на эволюцию паразитизма.

Статьи в этой коллекции методов представляют собой образцы мощной системы, которую нематоды предлагают для будущих сравнительных и механистических исследований. Очень интересно понять, как различные биологические процессы настраиваются в ходе эволюции, чтобы проявить «бесконечные формы, самые красивые и самые удивительные» Чарльза Дарвина.

Раскрытие информации

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы выражают признательность за финансирование со стороны Национальных институтов здравоохранения (#R01GM143771 и #R01HD081266).

Ссылки

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics. 77 (1), 71-94 (1974).
  2. Conradt, B., Wu, Y. C., Xue, D. Programmed cell death during Caenorhabditis elegans development. Genetics. 203 (4), 1533-1562 (2016).
  3. Sharma-Kishore, R., White, J. G., Southgate, E., Podbilewicz, B. Formation of the vulva in Caenorhabditis elegans: a paradigm for organogenesis. Development. 126 (4), 691-699 (1999).
  4. Gaudet, J., Mango, S. E. Regulation of organogenesis by the Caenorhabditis elegans FoxA protein PHA-4. Science. 295 (5556), 821-825 (2002).
  5. Maduro, M. F., Rothman, J. H. Making worm guts: The gene regulatory network of the Caenorhabditis elegans endoderm. Developmental Biology. 246 (1), 68-85 (2002).
  6. Kenyon, C., Chang, J., Gensch, E., Rudner, A., Tabtiang, R. A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature. 366 (6454), 461-464 (1993).
  7. Lin, K., Hsin, H., Libina, N., Kenyon, C. Regulation of the Caenorhabditis elegans longevity protein DAF-16 by insulin/IGF-1 and germline signaling. Nature Genetics. 28 (2), 139-145 (2001).
  8. Ambros, V., Lee, R. C., Lavanway, A., Williams, P. T., Jewell, D. MicroRNAs and other tiny endogenous RNAs in C. elegans. Current Biology. 13 (10), 807-818 (2003).
  9. Lee, R. C., Ambros, V. An extensive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans. Science. 294 (5543), 862-864 (2001).
  10. Lee, R. C., Feinbaum, R. L., Ambros, V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell. 75 (5), 843-854 (1993).
  11. Reinhart, B. J., et al. The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans. Nature. 403 (6772), 901-906 (2000).
  12. Cook, S. J., et al. Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes. Nature. 571 (7763), 63-71 (2019).
  13. Taylor, S. R., et al. Molecular topography of an entire nervous system. Cell. 184 (16), 4329-4347 (2021).
  14. Cao, J., et al. Comprehensive single-cell transcriptional profiling of a multicellular organism. Science. 357 (6352), 661-667 (2017).
  15. Cook, D. E., Zdraljevic, S., Roberts, J. P., Andersen, E. C. CeNDR, the Caenorhabditis elegans natural diversity resource. Nucleic Acids Research. 45, 650-657 (2017).
  16. Evans, K. S., Wijk, M. H., van McGrath, P. T., Andersen, E. C., Sterken, M. G. From QTL to gene: C. elegans facilitates discoveries of the genetic mechanisms underlying natural variation. Trends in Genetics. 37 (10), 933-947 (2021).
  17. Duveau, F., Félix, M. A. Role of pleiotropy in the evolution of a cryptic developmental variation in Caenorhabditis elegans. PLOS Biology. 10 (1), 1001230(2012).
  18. Sterken, M. G., Snoek, L. B., Kammenga, J. E., Andersen, E. C. The laboratory domestication of Caenorhabditis elegans. Trends in Genetics. 31 (5), 224-231 (2015).
  19. Andersen, E. C., et al. A powerful new quantitative genetics platform, combining Caenorhabditis elegans high-throughput fitness assays with a large collection of recombinant strains. G3: Genes|Genomes|Genetics. 5 (5), 911(2015).
  20. McGrath, P. T., et al. Quantitative mapping of a digenic behavioral trait implicates globin variation in C. elegans sensory behaviors. Neuron. 61 (5), 692-699 (2009).
  21. Zhao, Z., Boyle, T. J., Bao, Z., Murray, J. I., Mericle, B., Waterston, R. H. Comparative analysis of embryonic cell lineage between Caenorhabditis briggsae and Caenorhabditis elegans. Developmental Biology. 314 (1), 93-99 (2008).
  22. Levin, M., Hashimshony, T., Wagner, F., Yanai, I. Developmental milestones punctuate gene expression in the Caenorhabditis embryo. Developmental Cell. 22 (5), 1101-1108 (2012).
  23. Ewe, C. K., Torres Cleuren, Y. N., Rothman, J. H. Evolution and developmental system drift in the endoderm gene regulatory network of Caenorhabditis and other nematodes. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 170(2020).
  24. True, J. R., Haag, E. S. Developmental system drift and flexibility in evolutionary trajectories. Evolution and Development. 3 (2), 109-119 (2001).
  25. Kanzaki, N., et al. Biology and genome of a newly discovered sibling species of Caenorhabditis elegans. Nature Communications. 9 (1), 1-12 (2018).
  26. Tintori, S. C., Sloat, S. A., Rockman, M. V. Rapid isolation of wild nematodes by Baermann funnel. Journal of Visualized Experiments. (179), e63287(2022).
  27. Crombie, T. A., Tanny, R. E., Buchanan, C. M., Roberto, N. M., Andersen, E. C. A highly scalable approach to perform ecological surveys of selfing Caenorhabditis nematodes. Journal of Visualized Experiments. (181), e63486(2022).
  28. Andersen, E. C., Rockman, M. V. Natural genetic variation as a tool for discovery in Caenorhabditis nematodes. Genetics. 220 (1), 156(2022).
  29. Lee, D., et al. The genetic basis of natural variation in a phoretic behavior. Nature Communications. 8 (1), 1-7 (2017).
  30. Jovelin, R., Ajie, B. C., Phillips, P. C. Molecular evolution and quantitative variation for chemosensory behaviour in the nematode genus Caenorhabditis. Molecular Ecology. 12 (5), 1325-1337 (2003).
  31. Ackley, C., Washiashi, L., Krishnamurthy, R., Rothman, J. H. Large-scale Gravitaxis assay of Caenorhabditis Dauer larvae. Journal of Visualized Experiments. (183), e64062(2022).
  32. Ackley, C., et al. Parallel mechanosensory systems are required for negative gravitaxis in C. elegans. bioRxiv. , (2022).
  33. Kaletsky, R., et al. Transcriptome analysis of adult Caenorhabditis elegans cells reveals tissue-specific gene and isoform expression. PLOS Genetics. 14 (8), 1007559(2018).
  34. Woronik, A., Kiontke, K., Jallad, R. S., Herrera, R. A., Fitch, D. H. A. Laser microdissection for species-agnostic single-tissue applications. Journal of Visualized Experiments. (181), e63666(2022).
  35. Rosso, M. N., Jones, J. T., Abad, P. RNAi and functional genomics in plant parasitic nematodes. Annual Review of Phytopathology. 47, 207-232 (2009).
  36. Zheng, J., et al. The Ditylenchus destructor genome provides new insights into the evolution of plant parasitic nematodes. Proceedings. Biological Sciences. 283 (1835), 20160942(2016).
  37. Cammalleri, S. R., Knox, J., Roy, P. J. Culturing and screening the plant parasitic nematode Ditylenchus dipsaci. Journal of Visualized Experiments. (179), e63438(2022).
  38. Mimee, B., et al. The draft genome of Ditylenchus dipsaci. Journal of Nematology. 51 (1), 1-3 (2019).
  39. Heryanto, C., Ratnappan, R., O’halloran, D. M., Hawdon, J. M., Eleftherianos, I. Culturing and genetically manipulating entomopathogenic nematodes. Journal of Visualized Experiments. (181), e63885(2022).
  40. Macchietto, M., et al. Comparative transcriptomics of Steinernema and Caenorhabditis single embryos reveals orthologous gene expression convergence during late embryogenesis. Genome Biology and Evolution. 9 (10), 2681(2017).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

CaenorhabditisEcological SurveysGravitaxis AssayLaser MicrodissectionPlant Parasitic NematodeDitylenchus DipsaciEntomopathogenic NematodesJournal Of Visualized Experiments

Похожие статьи