模式生物概述: 秀丽隐杆线虫

Biology I

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Summary

秀丽隐杆线虫是一种生活在土壤中的微小蠕虫,从19世纪70年代初开始,它就作为功能强大的模式生物被广泛应用。它最初被用作模式生物是由于以下的原因:不变的身体结构,遗传操作简单以及培养成本低廉。从那以后,秀丽线虫的应用开始迅速发展, 并被用于众多的研究方向, 包括对运动中作用力的研究和对神经回路的探悉。

本短片概述了线虫的基础生物学, 很多发生在它短暂但传奇的研究历史中的里程碑事件的时间表,和以线虫作为模式生物的一些激动人心的应用。

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JoVE Science Education Database. 模式生物I:酵母,果蝇和秀丽线虫. 模式生物概述: 秀丽隐杆线虫. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

秀丽隐杆线虫,也被科学家称为"线虫", 彻底改变了我们用遗传学研究来了解基因如何调控细胞活动的方法。 线虫的遗传背景简单,身体透明且易于培养的特性使其成为研究胚胎发育,神经元的功能,寿命,老化以及一些人类疾病分子机制的理想系统。

首先,让我们了解作为模式生物的线虫。秀丽隐杆线虫隶属于线形动物门。 线虫是多细胞生物体,体长约1毫米。线虫的体型为细长的圆柱体,无分割和附属物。 在整个生命周期中,线虫的身体均为透明。线虫可以是雌雄同体或雄性。 雌雄同体既能自体受精也能和雄性交配。

线虫主要生活在湿度和氧气恒定的土壤中。

在实验室中,他们可在长满了大肠杆菌的琼脂板上生长。

线虫的寿命大约为14天。 从受精卵孵化到成为产卵的成虫,它们要经历从L1到L4 的四个幼虫阶段。 线虫的发育受温度影响,在实验室中,它们的培养温度可以为15度 , 20度或者25度。

现在,我们已经回顾了关于线虫的基本知识,接下来让我们了解为什么它们能成为功能强大的模式生物。首先,无论在固体还是液体培养基中培养线虫都是相对便宜且容易的。

其次,因为在整个生命周期中线虫都是透明的,其身体构造很容易通过光学显微镜观察。 这个特性对研究线虫发育特别有用,因为可以轻易追踪单个细胞的谱系。 透明的身体还使得荧光报告基团,如绿色荧光蛋白GFP,很容易地在活体线虫中被观测。

第三,线虫的繁殖能力特别强; 每个雌雄同体自体受精后可以产约300个卵,很容易获得大量的线虫。此外,线虫在20度的生长条件下到性成熟期只需要3.5天。

第四, 线虫的遗传操作非常容易。研究人员可以通过化学诱变或者紫外照射在线虫中引入基因突变,进而研究基因的功能。 将线虫培养在96孔板上,可以方便进行高通量全基因组水平的筛选。 它使得可以同时筛选多个基因在特定生物学现象或行为中的作用. 此外,线虫遗传中心, 也称CGC, 保存着一个庞大的线虫突变体库,研究人员只需很少的费用就可以获得想要的突变体。

第五,线虫是第一个被全基因测序的多细胞生物。完整的基因序列和详细的染色体图谱使得遗传分析容易且迅速。基因序列分析发现:很多基因在人和线虫中是保守的。

最后,除了以上的这些优势以外;整个线虫学术研究圈非常友好,他们开发了很多有用的在线资源以便线虫的研究。

现在您已经知道了线虫作为一个极具吸引力的模式生物所具有的所有特点, 应该不会奇怪许多具有里程碑意义的发现都是通过研究线虫获得的。让我们简单地回顾其中的一些。

1963年, Sydney Brenner 决定建立线虫模式生物系统来探索基因功能。 1974年,他发表了遗传筛选的研究结果, 其中研究了线虫的可见表型,如:身体肥胖、运动不协调和异形体。

1976年,和Brenner一起工作的 John Sulston发表了完整的线虫细胞谱系。他追踪了每一个细胞在分裂和分化后的子代细胞,发现最早的五次细胞分裂产生了六个奠基者细胞,再最终发育成线虫器官中的不同组织。

1986年, Robert Horvitz发表了他发现“死亡基因”的先驱工作。 随着细胞的分裂和分化,一些细胞因为死亡基因的激活而消失,这一过程是线虫以及其它生物正常发育所必需的。他的关于细胞程序性死亡,也称为细胞凋亡的工作对我们了解哺乳动物的发育过程 ,癌症和神经退化性疾病产生了重大的影响。

2002年, Sydney Brenner, John Sulston 和 Robert Horvitz因在线虫领域的开创性工作分享了当年的诺贝尔生理和医学奖。

2006年, Andrew Fire 和Craig Mello凭在RNA干扰领域突破性的贡献分享了当年的诺贝尔生理和医学奖。 RNA干扰也称RNAi,通过降解特定的mRNA来沉默基因。 RNA干扰目前正在被开发用于临床治疗。

2008年, Martin Chalfie因为发现作为荧光报告基团的绿色荧光蛋白GFP可以在线虫中表达,获得了当年的诺贝尔化学奖。 从那以后,绿色荧光逐渐被推广到所有的主要模式生物。

线虫作为模式生物可以用来回答许多重要的科学问题。

例如,线虫是神经生物学研究非常好的模型系统。线虫虽然没有大脑,但它们却有一个由302个神经元细胞构成的神经系统。 这几乎占了成体线虫总细胞数目959的三分之一。 线虫能够对环境刺激,如食物,种群密度,和趋化因子等化学物质产生反应。 除了遗传筛选,还可用激光烧灼,也就是用激光束选择性切断神经元, 和用电生理学来让我们弄清神经元怎样在多细胞生物中发挥作用和相互沟通。事实上,线虫神经系统的整个联系图谱已经被破解。

线虫也是研究衰老的理想选择。其很短的生命周期使得研究人员能够通过遗传筛选鉴定出长寿基因。虽然其中许多基因在人类中保守存在,但是我们还不知道它们是否能够影响人的寿命。

线虫研究还可帮助我们对人类疾病的认识。 可以在线虫中用荧光报告蛋白来模拟错误折叠的蛋白, 如α-突触核蛋白,在细胞内的聚合。这些聚合会导致神经元退化进而造成运动障碍。线虫的遗传筛选已经帮助识别出一些基因能够防止在神经退化性疾病,如帕金森病和阿尔茨海默病中神经元的丢失。

您刚观看的是 JoVE对秀丽线虫的介绍。本短片中,我们概述了线虫的特性和它成为功能强大的模式生物的原因。 这个有着简单的基因组和微小的神经系统的小线虫帮助我们了解了人类发育,行为学,衰老和疾病的很多方面。 感谢观看,祝您在线虫研究中好运。

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