Введение в Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans, или "черви", как называют их ученые, произвели революцию в генетических исследованиях, направленных на понимание того, как гены регулируют клеточные процессы. Простая генетика, прозрачное тело и легкость в культивировании делают этих червей идеальной системой для изучения эмбрионального развития, функций нейронов, продолжительности и процесса старения, а также молекулярных основ некоторых заболеваний человека.

Для начала познакомимся с C. elegans как с модельным организмом. Caenorhabditis elegans относится к типу Nematoda животного царства. C. elegans представляют собой многоклеточные организмы длиной примерно 1 mm. Они имеют удлиненное цилиндрическое тело без сегментации и придатков. Черви обладают прозрачным телом на протяжении всего жизненного цикла и существуют в форме гермафродитов и самцов. Гермафродиты способны как к самооплодотворению, так и к спариванию с самцами.

Нематоды живут преимущественно в почве с постоянным уровнем влажности и кислорода.

В лабораторных условиях их культивируют в чашках Петри с агарозой на газоне бактерий E. coli.

Продолжительность жизни червя составляет около 14 дней. В процессе развития от яйца до яйцекладущего родителя они проходят через 4 личиночные стадии, от L1 до L4. На развитие червей влияет температура; в лаборатории их культивируют при 15 °C, 20 °C или 25 °C.

Теперь, когда мы ознакомились с основами изучения C. elegans, давайте разберем, что делает их мощным модельным организмом. Во-первых, культивирование червей как на твердых, так и на жидких средах относительно недорого и просто.

Во-вторых, поскольку они остаются прозрачными на протяжении всего жизненного цикла, всю анатомию червя легко изучить с помощью световой микроскопии. Эта особенность особенно полезна для изучения развития червя, так как можно легко проследить за отдельными клеточными линиями. Прозрачность также позволяет легко наблюдать флуоресцентные репортеры, такие как зеленый флуоресцентный белок (или GFP), в живых червях.

В-третьих, C. elegans очень плодовиты; каждая гермафродитная особь откладывает около 300 яиц после самооплодотворения. Следовательно, легко получить большое количество червей. Кроме того, черви достигают репродуктивной зрелости всего за 3,5 дня при 20 °C.

В-четвертых, черви легко поддаются генетическим манипуляциям. Изучая мутации, исследователи получают представление о функциях генов; мутации могут быть индуцированы в червях путем воздействия химических веществ или УФ-излучения. Высокопроизводительные полногеномные скрининги легко проводить с червями в 96-луночных планшетах. Это позволяет одновременно проверять множество генов на предмет их участия в определенном биологическом феномене или поведении. Кроме того, генетический центр C. elegans (CGC) поддерживает обширный репозиторий мутантов, доступных исследователям за небольшую плату.

В-пятых, C. elegans стал первым многоклеточным организмом, чей геном был полностью секвенирован. Полная последовательность и детальная хромосомная карта ускорили и упростили генетический анализ. Анализ последовательностей показывает, что многие гены консервативны у человека и червей.

Наконец, помимо всех этих преимуществ, сообщество исследователей червей очень дружелюбно и создало множество полезных онлайн-ресурсов для изучения этих организмов.

Учитывая все характеристики, которые делают C. elegans столь привлекательной модельной системой, не удивительно, что изучение этих червей привело к множеству знаковых открытий. Давайте рассмотрим некоторые из них.

В 1963 году Сидни Бреннер решил утвердить C. elegans в качестве модельной системы и использовал её для исследования функций генов. В 1974 году он опубликовал результаты своего генетического скрининга, в ходе которого искал визуальные фенотипы, такие как укороченное тело (dumpy), нескоординированные движения (uncoordinated) и «трансформеры» (transformers).

В 1976 году Джон Салстон, работавший с Бреннером, опубликовал полную карту клеточного развития C. elegans. Он проследил происхождение каждой клетки в процессе её деления и дифференцировки и обнаружил, что первые пять клеточных делений приводят к образованию шести клеток-основателей, которые дифференцируются, в конечном итоге давая начало всем различным тканям организма.

В 1986 году Роберт Хорвиц опубликовал свою новаторскую работу по открытию "генов смерти." По мере того как клетки делятся и дифференцируются, некоторые из них подвергаются элиминации путем активации генов смерти, что необходимо для нормального развития червя и других организмов. Его работа над программируемой клеточной смертью, или апоптозом, оказала огромное влияние на наше понимание процессов развития млекопитающих, рака и нейродегенеративных заболеваний.

В 2002 году Сидни Бреннер, Джон Салстон и Роберт Хорвиц разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за свои фундаментальные исследования на C. elegans.

В 2006 году Эндрю Файр и Крэйг Мелло разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за их прорывную работу по РНК-интерференции, или RNAi — процессу, который приводит к сайленсингу генов посредством деградации специфических молекул мРНК. Технология RNAi в настоящее время разрабатывается для терапевтического применения.

В 2008 году Мартин Чалфи получил Нобелевскую премию по химии за демонстрацию того, что зеленый флуоресцентный белок (или GFP) может экспрессироваться в C. elegans и использоваться в качестве флуоресцентного репортера. С тех пор GFP экспрессируют во всех основных модельных организмах.

Как модельный организм, C. elegans может быть использован для поиска ответов на многие важные научные вопросы.

Например, черви являются крайне удобной модельной системой для изучения нейробиологии. Хотя у червей нет мозга в строгом смысле этого слова, они обладают довольно сложной нервной системой, состоящей из 302 нейронов — что составляет почти треть от общего числа 959 клеток взрослой гермафродитной особи. Черви реагируют на внешние стимулы, такие как доступность пищи, плотность популяции или химические вещества, например хемоаттрактанты. Помимо генетических скринингов, лазерная абляция — то есть селективное разрушение нейронов лазерными лучами — и электрофизиология позволили нам понять, как нейроны функционируют и взаимодействуют в многоклеточных организмах. Фактически, на данный момент полностью картирована вся сеть связей нервной системы C. elegans.

Черви также являются идеальным выбором для исследований старения. Короткий жизненный цикл червя позволил исследователям проводить генетические скрининги для поиска генов долголетия. Хотя многие из этих генов консервативны и у людей, мы пока не знаем, влияют ли они на продолжительность жизни человека.

Исследования червей также расширили наши знания о заболеваниях человека. У червей использовались флуоресцентные репортеры для имитации агрегации, то есть слипания неправильно свернутых белков, таких как альфа-синуклеин. Эти агрегаты вызывают дегенерацию нейронов, что приводит к двигательному дефициту. Генетические скрининги на червях помогли выявить гены, которые предотвращают потерю нейронов при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Вы только что посмотрели вводное видео JoVE о Caenorhabditis elegans. В этом ролике мы рассмотрели характеристики C. elegans и причины, которые делают этих червей мощным модельным организмом. Этот крошечный червь с его простой генетикой и миниатюрной нервной системой помог нам понять многочисленные аспекты развития, поведения, старения и заболеваний человека. Спасибо за просмотр и удачи в ваших исследованиях C. elegans.