Развитие и размножение C. elegans

Caenorhabditis elegans представляет собой анатомически малый и генетически простой многоклеточный организм с инвариантным паттерном развития. Несмотря на то, что другие организмы, например позвоночные, обладают более вариабельными программами развития, исследования развития и репродукции этого червя позволили получить важные сведения о молекулярных механизмах, регулирующих развитие у самого широкого круга видов, включая человека. Глубокое понимание развития червя и его жизненного цикла имеет решающее значение для успеха генетических экспериментов.

Для начала изучим ключевые аспекты развития червя. После оплодотворения первым основным событием является асимметричное деление клетки, в ходе которого формируется передне-задняя ось. Дорсо-вентральная ось устанавливается в период между стадиями двухклеточного и четырехклеточного эмбриона, а лево-правая ось — вскоре после стадии четырех клеток.

В течение первых пяти циклов клеточного деления появляются шесть клеток-основателей. Это AB, MS, E, C, D и P4. У каждого червя эти одни и те же клетки-основатели всегда дают начало одним и тем же специфическим тканям.

Потомки клетки AB в конечном итоге образуют нейроны и ткани глотки. MS дает начало мышцам, глотке и нейронам. Клетки, происходящие от E, становятся кишечной тканью. C дает начало мышцам, нейронам и коже. Клетки из клетки-основателя D становятся мышцами body wall. И, наконец, клетка P4 дает начало зародышевой линии.

Межклеточные взаимодействия имеют решающее значение для определения конечной судьбы этих клеток. Например, взаимодействие ABp с P2 важно для образования нейронов и эпителиальных клеток. Взаимодействие ABa с EMS необходимо для формирования клеток глотки. Взаимодействие между задней стороной EMS и P2 на стадии четырех клеток необходимо для того, чтобы клетка E, образующаяся из клетки EMS, дифференцировалась в клетки кишечника.

После нескольких ранних делений, когда эмбрион достигает примерно 30-клеточной стадии, яйцо червя откладывается. Дальнейшие клеточные деления приводят к увеличению количества клеток и формированию органов. Наконец, крошечный червь начинает двигаться внутри яйцевой оболочки, и вскоре после того, как его глотка начинает работать, яйцо вылупляется.

Важным аспектом развития C. elegans является апоптоз, или программируемая клеточная гибель, которая приводит к селективному удалению определенных клеток. Во время эмбриональной фазы развития червя в результате апоптоза погибает 113 клеток.

Рассмотрев эмбриональное развитие, перейдем к изучению жизненного цикла только что вылупившегося червя. Жизненный цикл C. elegans состоит из четырех личиночных стадий — L1, L2, L3, L4, за которыми следует взрослое состояние. При определенных условиях окружающей среды, таких как нехватка пищи, личинки на поздней стадии L1 или L2 прекращают развитие и переходят на альтернативную программу развития, называемую стадией dauer. Личинки dauer могут находиться в этом состоянии в течение многих месяцев, но при появлении пищи они возвращаются к нормальной программе развития.

Черви бывают двух полов — самооплодотворяющиеся гермафродиты и самцы. Гермафродиты имеют заостренный хвост, а также они шире и длиннее, чем самцы того же возраста. Под диссекционным микроскопом самцов легко отличить по стройному телу, но наиболее существенным различием является характерный хвост самца, на котором расположен копулятивный аппарат.

Зародышевая линия гермафродита вырабатывает как ооциты, так и сперматозоиды, в то время как зародышевая линия самца вырабатывает только сперматозоиды. Зародышевая линия содержит стволовые клетки на дистальном конце, которые перемещаются к проксимальному концу для образования зрелых гамет.

Путем самооплодотворения взрослый гермафродит производит генетически идентичное потомство гермафродитов с двумя половыми хромосомами. Иногда нерасхождение, то есть нарушение правильного разделения хромосом в зародышевой линии гермафродита, приводит к появлению потомства самцов только с одной половой хромосомой. Высокая температура увеличивает частоту случаев нерасхождения.

Считается, что половое размножение является движущей силой генетического разнообразия. Несмотря на то, что спаривание происходит с низкой частотой, самооплодотворение является основным способом размножения C. elegans в природе. Важным нерешенным вопросом в биологии червя остается причина сохранения самцов в процессе эволюции.

Теперь, когда вы немного узнали о развитии и жизненном цикле C. elegans, давайте разберем, как практически применить эти знания для проведения генетических скрещиваний. Перед началом работы крайне важно тщательно спланировать генетическую стратегию.

Соблюдение правил асептики необходимо для предотвращения бактериального и грибкового загрязнения. Не допускайте пересыхания чашек, иначе восстановить штаммы червей может быть невозможно. В день постановки скрещивания подготовьте несколько чашек с концентрированным пятном бактерий в центре. Маркируйте чашки, указав названия штаммов и дату. Для проведения скрещивания поместите на каждую чашку трех гермафродитов стадии L4 или молодых взрослых особей и двенадцать самцов стадии L4 или молодых взрослых особей. Инкубируйте при соответствующей температуре и через четыре дня проверьте чашки на наличие потомства от скрещивания. Присутствие примерно 50% самцов является первым признаком успешности скрещивания. Отберите гермафродитов стадии L4 из потомства, так как они еще не успели спариться с самцами на чашке. Тщательно наблюдайте за ними, чтобы убедиться, что наблюдаемый фенотип соответствует ожидаемому.

Понимание жизненного цикла и развития C. elegans помогло ответить на важные фундаментальные вопросы клеточной биологии.

Апоптоз в зародышевой линии является неотъемлемой частью оогенеза, эмбриогенеза и органогенеза у многих организмов, включая человека. Многие регуляторы апоптоза консервативны у людей и червей. Таким образом, C. elegans представляет собой уникальную систему для понимания причин гибели столь большого количества половых клеток во время оогенеза у различных видов.

Единственными истинными линиями стволовых клеток у C. elegans являются стволовые клетки зародышевой линии на дистальном конце. Они используются в качестве парадигмы для изучения механизмов поддержания ниш стволовых клеток и процессов их дифференцировки.

Многие паразитические нематоды, поражающие человека, проходят через стадию личиночного замирания, аналогичную стадии дауэр у C. elegans. После инфицирования они возобновляют развитие. Многие сельскохозяйственные культуры также поражаются паразитическими нематодами, находящимися в состоянии замирания. Более глубокое понимание механизмов стадии дауэр позволит разработать более эффективные методы борьбы с этими нематодами.

Вы только что посмотрели вводное видео JoVE о развитии и размножении C. elegans. В этом видео мы рассмотрели эмбриональное развитие, спецификацию клеточных судеб и жизненный цикл C. elegans. Исследования в этих областях позволили получить важные сведения о механизмах апоптоза, стволовых клетках и инфекционных нематодах.

Спасибо за просмотр и успехов в ваших исследованиях C. elegans.