Le développement et la reproduction de Caenorhabditis elegans

Biology I
 

Summary

Ceanorhabditis elegans est un outil puissant pour aider à comprendre comment les organismes se développent à partir d'une seule cellule dans une vaste gamme de tissus fonctionnels interconnectés. Les premiers travaux de C. elegans ont tracé la lignée cellulaire complète et la structure au niveau de la microscopie électronique, permettant aux chercheurs un aperçu sans précédent sur le lien entre les gènes, le développement et la maladie. Il est indispensable d’apprécier le développement stéréotypé et la reproduction programmée de C. elegans est afin d'utiliser cet organisme modèle à son maximum expérimental. Cette vidéo vous donnera un coup d'œil dans le développement d'un ver à partir de la fécondation jusqu’à l'éclosion, et vous guidera à travers les étapes de la vie des larves nouvellement écloses et leur voyage vers la maturité sexuelle. La vidéo exposera comment les grands axes sont établis, quelles cellules fondatrices donnent naissance quels tissus dans l'embryon en développement et comment faire la distinction entre les quatre stades larvaires. Finalement, vous apprendrez comment mettre en place un croisement génétique et nous visiterons quelques applications qui manipulent le développement et la reproduction de C. elegans pour créer un avantage expérimental.

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JoVE Science Education Database. Les organismes modèles I : la levure, la Drosophila et le C. elegans. Le développement et la reproduction de Caenorhabditis elegans. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Le Caenorhabditis elegans est un organisme multicellulaire anatomiquement petit et génétiquement simple avec un modele de développement stable. Malgré le fait que d'autres organismes, comme les vertébrés, ont des programmes de développement plus variables, la recherche sur le développement et la reproduction du ver a donné des indications importantes sur les mécanismes moléculaires qui régulent le développement, dans un large éventail d'espèces, y compris la notre. Une bonne appréciation du développement du ver et de son cycle de vie est essentielle pour le succès des expériences génétiques.

Tout d'abord, nous allons en apprendre davantage sur les aspects essentiels du développement du ver. Après la fécondation, le premier événement majeur est une division cellulaire asymétrique au cours de laquelle l'axe antéro-postérieur est établi. L'axe dorso-ventral est établi entre le stade de deux cellules et le stade de quatre cellules, et l'axe gauche-droit est établi peu de temps après le stade de quatre cellules.

Six cellules fondatrices apparaissent au cours des cinq premiers cycles de la division cellulaire. Ce sont les cellules AB, MS, E, C, D et P4. Dans chaque ver, ces mêmes cellules fondatrices donneront toujours lieu spécifiquement aux mêmes tissus.

Les descendants cellulaires d’AB finiront par donner lieu à des neurones et le tissu du pharynx. MS donne lieu à des muscles, du pharynx et des neurones. Les cellules dérivées de E deviennent du tissu intestinal. C donne lieu à des muscles, des neurones et la peau. Les cellules provenant du fondateur D deviennent paroi musculaire du corps. Enfin, la cellule P4 va donner lieu à la lignée germinale.

Les interactions cellulaires sont essentielles pour déterminer le destin final des cellules. Par exemple, l'interaction entre ABp et P2 est importante pour donner naissance à des neurones et des cellules épithéliales. L'interaction entre ABa et EMS est requise pour la formation des cellules du pharynx. L'interaction entre la face postérieure de l'EMS et P2 au stade de quatre cellules est essentielle pour que la cellule E, qui provient de la cellule EMS, se différencie en cellules intestinales.

Après les quelques premières divisions, lorsque l'embryon atteint environ le stade de 30 cellules, l'œuf du ver est déposé. D'autres divisions cellulaires conduisent à une augmentation du nombre de cellules et la formation d’organes. Enfin, le petit ver commence à se déplacer à l'intérieur de la coquille, et peu de temps après que son pharynx commence à pomper, l'œuf éclot.

Un aspect important du développement de C. elegans est l'apoptose, ou mort cellulaire programmée, qui conduit à l'élimination sélective de certaines cellules. Pendant la phase de développement embryonnaire du ver, 113 cellules meurent à la suite de l'apoptose.

Ayant examiné le développement embryonnaire, nous allons en apprendre davantage sur le cycle de vie d'un ver nouvellement éclos. Le cycle de vie de C. elegans se compose de quatre stades larvaires - L1, L2, L3, L4 - qui sont suivis par l'âge adulte. Sous certaines conditions environnementales, telles que la rareté de la nourriture, les larves arrêtent leur développement à la fin du stade L1 ou au stade L2, et entrent dans un programme de développement alternatif, appelé le stade de dauer. Les dauers peuvent rester dans ce stade pendant de nombreux mois, mais au retour de la nourriture, ils entrent à nouveau dans le programme de développement normal.

Les vers ont deux sexes - les hermaphrodites auto fécondateurs et les mâles. Les hermaphrodites ont une queue pointue et ils sont à la fois plus large et plus longs que les mâles du même âge. Sous un microscope de dissection, les mâles se distinguent facilement par leur corps mince, mais la différence la plus profonde est la queue distinctive du ver mâle qui porte l'appareil copulateur.

La lignée germinale hermaphrodite produit des ovocytes et des spermatozoïdes, tandis que la lignée germinale mâle ne produit que du sperme. La lignée germinale contient des cellules souches, à l'extrémité distale, qui se déplacent vers l'extrémité proximale pour produire des gamètes matures.

Par auto-fécondation, un hermaphrodite adulte produit une descendance hermaphrodite, génétiquement identique, avec deux chromosomes sexuels. Parfois, la non-disjonction, qui est l'échec de la separation des chromosomes dans la lignée germinale hermaphrodite, résulte en une descendance mâle avec un seul chromosome sexuel. De hautes températures augmentent la fréquence des événements de non-disjonction.

La reproduction sexuée est établie comme la force motrice de la diversité génétique. Même si l'accouplement a lieu à une fréquence basse, dans la nature, l'auto-fécondation est le principal mode de reproduction des C. elegans. Pourquoi les males sont conservés dans l'évolution est une importante question de la biologie du ver, toujours sans réponse.

Maintenant que vous en avez appris un peu plus sur les C. elegans et le développement de leur cycle de vie, voyons comment nous pouvons appliquer ces connaissances de façon pratique, pour mettre en place des croisements génétiques. Avant de commencer, il est important de planifier soigneusement la stratégie génétique.

Une technique aseptique est importante pour éviter la contamination bactérienne et fongique. Ne laissez pas sécher les plaques, ou les souches de vers peuvent être impossibles à récupérer. Le jour de la mise en place d'un accouplement, préparer plusieurs plaques avec un lot concentré de bactéries au centre de la plaque. Marquer la plaque avec les noms des souches et la date. Pour mettre en place l’accouplement, mettre trois L4 ou jeunes adultes hermaphrodites et douze L4 ou jeunes mâles sur chaque plaque. Incuber à la température appropriée et vérifier les plaques quatre jours plus tard pour la descendance croisée. La présence d'environ 50% de mâles est la première indication que le croissement a fonctionné. Choisissez la descendance hermaphrodite croisée L4, car ceux-ci ne se sont pas encore accouplés avec les mâles présents sur la plaque. Suivez-les de près pour s'assurer que le phénotype observé correspond au phénotype attendu.

Une bonne compréhension du cycle de vie de C. elegans et de son développement a contribué à répondre à des questions fondamentales importantes en biologie cellulaire.

L'apoptose dans la lignée germinale est une partie intégrante de l'ovogenèse, de l'embryogenèse et de l'organogenèse dans de nombreux organismes, incluant les humains. De nombreux régulateurs de l'apoptose sont conservés entre les humains et les vers. Par conséquent, C. elegans est un système unique pour comprendre pourquoi tant de cellules germinales meurent pendant l'ovogenèse chez diverses espèces.

Les seules lignes de cellules souches authentiques chez le C. elegans sont les cellules souches germinales à l'extrémité distale. Elles ont été utilisées comme un paradigme pour comprendre comment les niches de cellules souches sont maintenues et comment les cellules s'engagent à la différenciation.

Beaucoup de nématodes parasites qui infectent les humains passent par un arrêt larvaire, similaire à l'étape de dauer chez C. elegans. Après l'infection, ils reprennent leur développement. Beaucoup de cultures agricoles sont également envahies par des nématodes parasites qui arrêtent leur developpement. Une meilleure compréhension des mécanismes de Dauer mènera à de meilleurs traitements contre ces nématodes.

Vous venez de regarder l'introduction au développement et la reproduction des C. elegans produite par JoVe. Dans cette vidéo, nous avons examiné le développement embryonnaire, la spécification du destin cellulaire, et le cycle de vie des C. elegans. La recherche dans ces domaines a donné des indications importantes sur les mécanismes de l'apoptose, les cellules souches et les nématodes infectieux.

Merci de votre attention, et bonne continuation dans votre recherche sur les C. elegans.

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