Yöntem makalesi

Sonsuz Solucanlar En Güzeli: Evrimsel Gelişim Biyolojisini İncelemek İçin Nematodları Kullanmanın Güncel Yöntemleri

DOI:

10.3791/64594

⸱

10 Ağustos 2022

 ,  , 
1Department of Neurobiology, Tel Aviv University, 2Department of Molecular, Cellular, Developmental Biology, University of California Santa Barbara

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

TARTIŞILAN MAKALELER:

Tintori, S.C., Sloat, S.A., Rockman, M.V. Yabani nematodların baermann hunisi ile hızlı izolasyonu. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (179) (2022).

Crombie, T.A., Tanny, R.E., Buchanan, C.M., Roberto, N.M., Andersen, E.C. Kendi kendine Caenorhabditis nematodlarının ekolojik araştırmalarını gerçekleştirmek için oldukça ölçeklenebilir bir yaklaşım. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (181) (2022).

Ackley, C., Washiashi, L., Krishnamurthy, R., Rothman, J.H. Caenorhabditis Dauer larvalarının büyük ölçekli gravitaksi testi. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (183) (2022).

Woronik, A., Kiontke, K., Jallad, R.S., Herrera, R.A., Fitch, D.H.A. Türden bağımsız tek doku uygulamaları için lazer mikrodiseksiyonu. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (181) (2022).

Cammalleri, S.R., Knox, J., Roy, P.J. Bitki paraziti nematodu Ditylenchus dipsaci'nin kültürlenmesi ve taranması. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (179) (2022).

Heryanto, C., Ratnappan, R., O'halloran, D.M., Hawdon, J.M., Eleftherianos, I. Entomopatojenik nematodların kültürlenmesi ve genetik olarak manipüle edilmesi. Görselleştirilmiş Deneyler Dergisi. (181) (2022).

Editöryal

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1960'larda Sydney Brenner, hayvan nörobiyolojisi ve gelişimini incelemek için Caenorhabditis elegans'ın, özellikle Bristol, İngiltere'den izole edilen N2 suşunun kullanımına öncülük etti1. O zamandan beri, bu laboratuvar referans suşu ile yapılan ufuk açıcı keşifler, programlanmış hücre ölümü2, organogenez 3,4,5, yaşlanma 6,7, kodlamayan RNA'lar tarafından gen regülasyonu 8,9,10,11, tam cinsel olarak dimorfik nöral konektomların tanımı gibi temel süreçlerin düzenlenmesini çözmek için etkili olmuştur 12 ve moleküler, hücre ve gelişim biyolojisindeki diğer birçok fenomen. Tek hücreli çözünürlükte 13,14'te birkaç "omik" çalışma ile tamamlanan N2, tartışmasız en eksiksiz tanımlanmış metazoandır. Son altmış yılda N2'nin incelenmesinden elde edilen bilgi zenginliği, genetik olarak farklı C. elegans yabani izotiplerinde ve diğer nematod türlerinde gelişimi modüle eden mekanizmanın evrimsel çeşitliliğini keşfetmek için bir sıçrama tahtası sağlamıştır. Bugüne kadar, her biri benzersiz bir haplotipe sahip 500'den fazla C. elegans izotipi, dünyanın her yerinden izole edilmiştir15. Bu ilerleme, N2'deki bir dizi davranışsal ve gelişimsel özelliği değiştiren birçok gendeki laboratuvardan türetilmiş aleller dahil olmak üzere, nicel özelliklerdeki16 varyasyondan sorumlu genetik faktörlerin tanımlanmasını büyük ölçüde kolaylaştırmıştır (örneğin, referanslar 17,18,19,20). Bu nedenle, yabani solucanları incelemek, hayvanların çevrelerine gelişimi, fizyolojiyi ve davranışları etkileyecek şekilde nasıl tepki verdiğine dair önemli bilgiler sağlayabilir ve aynı zamanda hayvanların evrimsel yörüngelerini aydınlatabilir. Caenorhabditis cinsindeki birçok tür, morfolojik olarak C. elegans 21,22'den neredeyse ayırt edilemez görünmektedir ve gelişimsel sistem sürüklenmesinin moleküler mekanizmasını incelemek için güçlü bir platform sağlamaktadır 23,24; bununla birlikte, çürüyen bitki materyalinde yaşayan C. elegans'ın morfolojisinin, muhtemelen niş adaptasyonunun bir sonucu olarak, yalnızca incirlerde bulunan bilinen en yakın kardeşi C. inopinata'dan önemli ölçüde farklı olduğunu belirtmekilginçtir 25. Türler arası ve türler arası karşılaştırmalı çalışmalar, bu hayvanların evrimsel tarihi hakkındaki anlayışımızı derinleştirecektir. Nematodların evrimsel gelişimsel ve davranışsal biyolojideki önemli soruları araştırmak için sunduğu zengin doğal kaynağın kullanımını teşvik etmek amacıyla, bu makale koleksiyonu, C. elegans türleri dışındaki yabani solucanları ve nematod türlerini izole etmek, kültürlemek ve incelemek için yararlı teknikler sağlar.

Bu Yöntemler Koleksiyonunda, Tintori ve ark.26 ve Crombie ve ark.27 yabani nematodları izole etmek için tamamlayıcı yaklaşımlar sunmaktadır. Tintori ve ark. Baermann hunisini kullanarak sahadaki nematodları izole etmek için basit, uygun maliyetli bir yöntem tanımlamaktadır. Bu yaklaşım, araştırmacıların tarafsız bir şekilde nematod popülasyonunun neredeyse tamamını substratlardan (örneğin çürüyen meyveler, çiçekler ve saplar) toplamasına olanak tanır. Buna karşılık, Crombie ve ark. C. elegans, C. briggsae ve C. tropicalis gibi kendi kendine döllenen Caenorhabditis türlerini zenginleştiren bir yöntem sunar. Ek olarak, nematod örneklerinin yanı sıra ilgili ekolojik verileri etkili bir şekilde izlemek ve düzenlemek için Fulcrum uygulamasının ve R yazılımının kullanımına ilişkin ayrıntılı talimatlar sağlarlar. Nematodları doğal bağlamlarında incelemek, bu türlerdeki karmaşık özellikleri şekillendiren ekolojileri hakkında önemli bilgiler sağlayacaktır.

Nematodlar, niş adaptasyonunu kolaylaştıran davranışlarda türler arası ve türler arası çeşitlilik sergiler ve davranışsal plastisite ve nörodiverjansın genetik temelini incelemek için mükemmel bir paradigma sağlar 28,29,30. Ackley ve ark.31, farklı Caenorhabditis türlerinin dauer larvalarında bir dağılım mekanizması olarak hizmet edebilecek gravitaksiyi incelemek için sağlam bir tahlil tanımlamaktadır. Yerçekimi davranışı diğer duyusal girdilerdenetkilenebileceğinden 32, Ackley ve ark.31 hayvanları ışıktan ve elektromanyetik alanlardan korumak için basit ve uygun maliyetli bir yol sağlar, böylece bu çevresel etkilerin yerçekimi davranışı üzerindeki bilinen müdahalesini önler. Bu tahlil, duyu bütünlemenin moleküler mekanizmasını ve nematodlarda yayılma stratejilerinin evrimini incelemek için faydalı olacaktır.

Son on yılda tek hücreli RNA dizileme tekniklerinin geliştirilmesi, transkriptomik analizlerde devrim yaratarak araştırmacıların çok hücreli organizmalardaki hücresel heterojenliği yüksek çözünürlükte incelemelerine olanak tanıdı. C. elegans'ta, farklı hücre tiplerinin izolasyonu, dokuya özgü floresan belirteçlerin ve FACS33'ün ekspresyonuna dayanır, bu da uygulamasını transgenik araçların mevcut olmadığı diğer nematod türleriyle sınırlar. Woronik ve ark.34 , hücresel belirteçlerin yokluğunda dokuları solucanlardan izole etmek için lazer mikrodiseksiyonunu başarıyla uygulamaktadır. Kuyruk uçlarını C. elegans erkeklerinden ve hermafroditlerden izole ederler ve kuyruk morfogenez mekanizmasını araştırmak için CEL-Seq2 kullanarak RNA-seq gerçekleştirirler; Bununla birlikte, açıklanan yöntemin farklı nematod türlerindeki diğer doku tipleri için kolayca benimsenebileceğini ve dokuya özgü bir bağlamda karşılaştırmalı transkriptom analizlerine izin verebileceğini belirtmekte fayda var.

C. elegans ve birçok parazitik nematod benzer yapılar içerir. Ek olarak, türler arasında birçok ana sinyal sistemi ve gelişim yolu korunur35,36. Kök ve soğan nematodu, Ditylenchus dipsaci, dünya çapında 500'den fazla bitki türünü etkileyen ve gıda mahsullerinin yıkıcı kaybına neden olan bitki paraziti bir nematoddur. Cammalleri ve ark.37, bezelye bitkilerinde büyük bir D. dipsaci popülasyonunu çoğaltmak için etkili bir yöntem tanımlamaktadır. Yazarlar ayrıca solucanların hareketliliğini bozarak nematosit görevi görebilecek küçük molekül adaylarını belirlemek için ayrıntılı bir protokol sağlar. Yakın zamanda mevcut olan genom dizisi38 ile birleştiğinde laboratuvar ekiminin kolaylığı, D. dipsaci'yi C. elegans ile karşılaştırmalı çalışmalar için yararlı bir model haline getirerek, biyolojisinin yeni yönlerini ortaya çıkarmayı ve biyokontrol için etkili stratejiler geliştirmeyi mümkün kılar.

Son olarak, Heryanto ve ark.39 , böcekleri enfekte eden ve bağırsaklarındaki bakterilerle karşılıklı ilişki sergileyen entomofatojenik solucanlar olan Heterorhabditis bacteriophora ve Steinernema carpocapsae'yi çoğaltmak için bir yöntem sunmaktadır. Heryanto ve ark. ayrıca dsRNA'yı gonada mikroenjekte ederek H. bacteriophora'da RNAi yöntemlerini gösterir. Önceki bir çalışma, Steinernema embriyolarının yavaş geliştiğini ve anneden zigotik geçişin Steinernema'da embriyogenez sırasında Caenorhabditis türlerine göre daha erken gerçekleştiğini göstermiştir40. Heryanto ve ark. 39 , bu uzaktan ilişkili türlerdeki gelişim programlarının evrimsel çeşitliliğinin temelini ve ayrıca parazitliğin evrimine ilişkin yeni anlayışları ortaya çıkarmayı vaat ediyor.

Bu Yöntemler Koleksiyonundaki makaleler, gelecekteki karşılaştırmalı ve mekanik çalışmalar için nematodların sunduğu güçlü sistemin örneklerini sağlar. Charles Darwin'in "en güzel ve en harika sonsuz formlarını" ortaya çıkarmak için evrim sırasında çeşitli biyolojik süreçlerin nasıl ayarlandığını anlamak büyük ilgi çekicidir.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, Ulusal Sağlık Enstitüleri'nden (# R01GM143771 ve # R01HD081266) gelen finansmanı kabul etmektedir.

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Brenner, S. The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics. 77 (1), 71-94 (1974).
  2. Conradt, B., Wu, Y. C., Xue, D. Programmed cell death during Caenorhabditis elegans development. Genetics. 203 (4), 1533-1562 (2016).
  3. Sharma-Kishore, R., White, J. G., Southgate, E., Podbilewicz, B. Formation of the vulva in Caenorhabditis elegans: a paradigm for organogenesis. Development. 126 (4), 691-699 (1999).
  4. Gaudet, J., Mango, S. E. Regulation of organogenesis by the Caenorhabditis elegans FoxA protein PHA-4. Science. 295 (5556), 821-825 (2002).
  5. Maduro, M. F., Rothman, J. H. Making worm guts: The gene regulatory network of the Caenorhabditis elegans endoderm. Developmental Biology. 246 (1), 68-85 (2002).
  6. Kenyon, C., Chang, J., Gensch, E., Rudner, A., Tabtiang, R. A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature. 366 (6454), 461-464 (1993).
  7. Lin, K., Hsin, H., Libina, N., Kenyon, C. Regulation of the Caenorhabditis elegans longevity protein DAF-16 by insulin/IGF-1 and germline signaling. Nature Genetics. 28 (2), 139-145 (2001).
  8. Ambros, V., Lee, R. C., Lavanway, A., Williams, P. T., Jewell, D. MicroRNAs and other tiny endogenous RNAs in C. elegans. Current Biology. 13 (10), 807-818 (2003).
  9. Lee, R. C., Ambros, V. An extensive class of small RNAs in Caenorhabditis elegans. Science. 294 (5543), 862-864 (2001).
  10. Lee, R. C., Feinbaum, R. L., Ambros, V. The C. elegans heterochronic gene lin-4 encodes small RNAs with antisense complementarity to lin-14. Cell. 75 (5), 843-854 (1993).
  11. Reinhart, B. J., et al. The 21-nucleotide let-7 RNA regulates developmental timing in Caenorhabditis elegans. Nature. 403 (6772), 901-906 (2000).
  12. Cook, S. J., et al. Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes. Nature. 571 (7763), 63-71 (2019).
  13. Taylor, S. R., et al. Molecular topography of an entire nervous system. Cell. 184 (16), 4329-4347 (2021).
  14. Cao, J., et al. Comprehensive single-cell transcriptional profiling of a multicellular organism. Science. 357 (6352), 661-667 (2017).
  15. Cook, D. E., Zdraljevic, S., Roberts, J. P., Andersen, E. C. CeNDR, the Caenorhabditis elegans natural diversity resource. Nucleic Acids Research. 45, 650-657 (2017).
  16. Evans, K. S., Wijk, M. H., van McGrath, P. T., Andersen, E. C., Sterken, M. G. From QTL to gene: C. elegans facilitates discoveries of the genetic mechanisms underlying natural variation. Trends in Genetics. 37 (10), 933-947 (2021).
  17. Duveau, F., Félix, M. A. Role of pleiotropy in the evolution of a cryptic developmental variation in Caenorhabditis elegans. PLOS Biology. 10 (1), 1001230(2012).
  18. Sterken, M. G., Snoek, L. B., Kammenga, J. E., Andersen, E. C. The laboratory domestication of Caenorhabditis elegans. Trends in Genetics. 31 (5), 224-231 (2015).
  19. Andersen, E. C., et al. A powerful new quantitative genetics platform, combining Caenorhabditis elegans high-throughput fitness assays with a large collection of recombinant strains. G3: Genes|Genomes|Genetics. 5 (5), 911(2015).
  20. McGrath, P. T., et al. Quantitative mapping of a digenic behavioral trait implicates globin variation in C. elegans sensory behaviors. Neuron. 61 (5), 692-699 (2009).
  21. Zhao, Z., Boyle, T. J., Bao, Z., Murray, J. I., Mericle, B., Waterston, R. H. Comparative analysis of embryonic cell lineage between Caenorhabditis briggsae and Caenorhabditis elegans. Developmental Biology. 314 (1), 93-99 (2008).
  22. Levin, M., Hashimshony, T., Wagner, F., Yanai, I. Developmental milestones punctuate gene expression in the Caenorhabditis embryo. Developmental Cell. 22 (5), 1101-1108 (2012).
  23. Ewe, C. K., Torres Cleuren, Y. N., Rothman, J. H. Evolution and developmental system drift in the endoderm gene regulatory network of Caenorhabditis and other nematodes. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 170(2020).
  24. True, J. R., Haag, E. S. Developmental system drift and flexibility in evolutionary trajectories. Evolution and Development. 3 (2), 109-119 (2001).
  25. Kanzaki, N., et al. Biology and genome of a newly discovered sibling species of Caenorhabditis elegans. Nature Communications. 9 (1), 1-12 (2018).
  26. Tintori, S. C., Sloat, S. A., Rockman, M. V. Rapid isolation of wild nematodes by Baermann funnel. Journal of Visualized Experiments. (179), e63287(2022).
  27. Crombie, T. A., Tanny, R. E., Buchanan, C. M., Roberto, N. M., Andersen, E. C. A highly scalable approach to perform ecological surveys of selfing Caenorhabditis nematodes. Journal of Visualized Experiments. (181), e63486(2022).
  28. Andersen, E. C., Rockman, M. V. Natural genetic variation as a tool for discovery in Caenorhabditis nematodes. Genetics. 220 (1), 156(2022).
  29. Lee, D., et al. The genetic basis of natural variation in a phoretic behavior. Nature Communications. 8 (1), 1-7 (2017).
  30. Jovelin, R., Ajie, B. C., Phillips, P. C. Molecular evolution and quantitative variation for chemosensory behaviour in the nematode genus Caenorhabditis. Molecular Ecology. 12 (5), 1325-1337 (2003).
  31. Ackley, C., Washiashi, L., Krishnamurthy, R., Rothman, J. H. Large-scale Gravitaxis assay of Caenorhabditis Dauer larvae. Journal of Visualized Experiments. (183), e64062(2022).
  32. Ackley, C., et al. Parallel mechanosensory systems are required for negative gravitaxis in C. elegans. bioRxiv. , (2022).
  33. Kaletsky, R., et al. Transcriptome analysis of adult Caenorhabditis elegans cells reveals tissue-specific gene and isoform expression. PLOS Genetics. 14 (8), 1007559(2018).
  34. Woronik, A., Kiontke, K., Jallad, R. S., Herrera, R. A., Fitch, D. H. A. Laser microdissection for species-agnostic single-tissue applications. Journal of Visualized Experiments. (181), e63666(2022).
  35. Rosso, M. N., Jones, J. T., Abad, P. RNAi and functional genomics in plant parasitic nematodes. Annual Review of Phytopathology. 47, 207-232 (2009).
  36. Zheng, J., et al. The Ditylenchus destructor genome provides new insights into the evolution of plant parasitic nematodes. Proceedings. Biological Sciences. 283 (1835), 20160942(2016).
  37. Cammalleri, S. R., Knox, J., Roy, P. J. Culturing and screening the plant parasitic nematode Ditylenchus dipsaci. Journal of Visualized Experiments. (179), e63438(2022).
  38. Mimee, B., et al. The draft genome of Ditylenchus dipsaci. Journal of Nematology. 51 (1), 1-3 (2019).
  39. Heryanto, C., Ratnappan, R., O’halloran, D. M., Hawdon, J. M., Eleftherianos, I. Culturing and genetically manipulating entomopathogenic nematodes. Journal of Visualized Experiments. (181), e63885(2022).
  40. Macchietto, M., et al. Comparative transcriptomics of Steinernema and Caenorhabditis single embryos reveals orthologous gene expression convergence during late embryogenesis. Genome Biology and Evolution. 9 (10), 2681(2017).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

NematodesEvolutionary Developmental BiologyCaenorhabditisEcological SurveysGravitaxis AssayLaser MicrodissectionPlant Parasitic NematodeDitylenchus DipsaciEntomopathogenic NematodesJournal Of Visualized Experiments

İlgili makaleler