秀丽隐杆线虫的发育和生殖

Biology I

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Summary

秀丽隐杆线虫是一个功能强大的研究工具,可以帮助了解生物如何从单细胞发育成一个有多个功能组织相互关联的整体。早期线虫方面的工作从电子显微镜水平追踪了完整的细胞谱系和结构,使得科学家们前所未有地洞悉了基因,发育和疾病之间的联系。了解线虫特有的发育和生殖模式对于在实验室充分利用这种模式生物非常关键。

本短片将向您介绍线虫从受精到孵化的发育过程,并带您了解新孵化的幼虫到生殖成熟所经历的一系列生命阶段。我们将重点讲述如何形成主要体轴,各个奠基者细胞在发育胚胎中生成何种组织,以及如何区分四种幼虫期。最后您将学习如何设计遗传杂交,我们也将举例说明几个为实验目的而调整线虫的发育和生殖的应用。

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JoVE Science Education Database. 模式生物I:酵母,果蝇和秀丽线虫. 秀丽隐杆线虫的发育和生殖. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

秀丽隐杆线虫是一种个体小,基因简单,并有着固定发育模式的多细胞生物。 尽管其他生物,如脊椎动物有着更多不同的发育程式,对线虫发育和生殖的研究还是对了解包括人类在内的很多物种的发育调控分子机制作出了重大贡献。 正确地认识线虫的发育和生命周期对遗传实验尤为重要。

首先,让我们来学习线虫发育的重要环节。 受精完成后的第一个重大事件是非对称分裂,形成前后轴。 从二细胞期到四细胞期的过程中形成背腹轴。四细胞期后紧接着形成左右轴。

受精后的前五次细胞分裂产生出6个奠基者细胞,它们分别是AB, MS, E, C, D 和P4。 在所有线虫中,这些奠基者细胞都会发育成为同样的特定组织。 AB细胞后代会发育成神经元和咽。MS细胞分裂分化成肌肉,咽和神经元, E细胞分裂分化成肠,C细胞分裂分化产生肌肉,神经元和真皮。D细胞分裂产生体肌细胞。最后,P4细胞分裂产生生殖细胞。

细胞间的相互作用对于决定这些细胞最终命运至关重要。 例如,ABp细胞与P2细胞接触对于神经元和表皮细胞的发育十分重要。ABa细胞与EMS细胞的接触是形成咽细胞所必须的。 四细胞期时,EMS细胞的尾部与P2细胞接触对于EMS细胞分裂产生E细胞并进一步分化成为肠十分关键。

最初的几轮细胞分裂后,当胚胎达到大约30细胞期时,线虫卵被排出 。 接下来的细胞分裂将使得细胞数目增多和器官形成。最后,小线虫将开始在卵壳中活动,当它的咽开始跳动不久后,卵就孵化了。

线虫发育的一个重要部分是细胞凋亡,也称细胞程序性死亡, 它导致选择性地清除掉某些细胞。 整个线虫发育的胚胎期中,有113个细胞因细胞凋亡而死掉。

刚回顾了胚胎发育,我们接下学习一下这个新出生的线虫的生命周期。 秀丽线虫的生命周期包括四个幼虫阶段-L1, L2, L3, L4 , 然后是成虫期。 在某些环境条件下,如饥饿, L1后期或L2期的幼虫将停止发育而进入另一种称之为“多尔”发育阶段。 多尔幼虫处于这种状态可长达数月,然而一旦有了食物,它们又会重新进入正常的发育程式。

线虫有两种性别-可自体受精的雌雄同体和雄性。 雌雄同体线虫有尖的尾巴,它们比同龄雄性线虫更宽更长。 在解剖显微镜下观察,雄性个体小,很容易区分,但更明显的差异是雄性线虫的尾巴上有交合器器官。

雌雄同体线虫的生殖腺产生卵和精子,雄性线虫的生殖腺则只产生精子。 生殖干细胞位于生殖腺末端,它们会移动到近端生成成熟的配子。

通过自体受精,雌雄同体成虫会产生基因型一样,有两倍性染色体的雌雄同体后代。 有时,染色体不分离,也就是在雌雄同体生殖腺中染色体没有正确分开,会导致产生只有一倍性染色体的雄性后代。 高温会增加出现染色体不分离的几率。

有性生殖被认为是产生遗传多样性的原因。然而自然界中线虫的自体受精是其主要生殖方式,很少出现交配生殖。 因而关于线虫生物学的一个重要且无法解释的问题是为何雄性个体能在进化中被保留下来。

现在您已经对线虫的发育和生命周期有了一定的了解,再来让我们看看我们如何利用这些知识建立遗传杂交。首先关键的是仔细设计遗传实验的计划。

无菌操作对避免细菌和真菌污染很重要。 不要让平板失水干掉,因为线虫品系可能无法得到恢复。准备杂交的当天,选择多个中央有厚菌斑的平板。 平板上标记品系名和日期。每个平板上放上3只L4或年轻雌雄同体成虫,以及12只L4或年轻雄性成虫。在适当温度下培养四天后检查杂交后代。约50%为雄性说明杂交成功。挑出L4 雌雄同体后代,这些还没有在平板上有过交配。仔细观察它们的表型是否与预期表型一致。

对秀丽线虫生命周期和发育的了解帮助解释了一些细胞生物学中重要的基础问题。

很多生物,包括人类,其生殖腺中的细胞凋亡是卵子生成,胚胎形成和器官形成所必须的。细胞凋亡的许多调控因子在人类和线虫中保守。因此,线虫作为一个独特的系统,可用来了解为何众多物种中的许多干细胞在卵子生成过程中凋亡。

线虫中真正的干细胞系是存在于生殖腺末端的生殖干细胞。它们被用作研究干细胞如何生存和保持以及它们如何分化的典范。

许多感染人类的寄生虫会休眠在幼虫期,这与线虫的"多尔"类似。感染后,它们重新进入发育周期。 很多农业作物也是被休眠的寄生线虫感染。对"多尔"机理的更多了解会给我们带来抵御这些线虫的更好的治疗方法。

您刚观看的是JoVE关于秀丽隐杆线虫发育和生殖的介绍。本短片中,我们回顾了线虫的胚胎发育,细胞命运和生命周期。 这些领域的研究人员已经对细胞凋亡,干细胞和感染型线虫的机制有了重大的发现。 感谢您的观看。祝您的线虫研究好运!

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