Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans to wolnożyjący nicień, o długości ok. 1 mm występujący w glebach klimatu umiarkowanego. Badania biologii molekularnej i rozwoju C. elegans rozpoczął w 1965 Sydney Brenner [1]. Od tego momentu C. elegans stał się organizmem modelowym w badaniach biologicznych takich jak proces rozwoju, embriogenezy, morfogenezy oraz starzenia się.

Pozycja systematyczna - Eukaryota; Metazoa; Nematoda; Chromadorea; Rhabditida; Rhabditoidea; Rhabditidae; Peloderinae; Caenorhabditis.

 

więcej filmików

 

Biologia

C. elegans jest niesegmentowanym, dwustronnie symetrycznym pokrytym kutikulą robakiem obłym. Odżywia się mikroorganizmami. W warunkach laboratoryjnych hodowany jest na pożywkach płynnych lub stałych (na szalkach), na których rozwijają się także bakterie Escherichia coli (OP50) stanowiące pokarm nicienia. OP50 to rosnący powoli szczep bakterii, niezdolny do syntezy uracylu, co ogranicza jego gwałtowny wzrost i powstawanie toksyn. Formą dominująco u tego gatunku są osobniki hermafrodytyczne (obojnacze). W populacji występują także osobniki męskie, które stanowią zaledwie około 0,05% całej populacji.
Małe rozmiary oraz przezroczystość organizmu C. elegans, umożliwiają obserwację poszczególnych narządów oraz zachodzących w nich procesów bezpośrednio pod mikroskopem. W budowie anatomicznej C. elegans można wyróżnić otwór gębowy, gardziel, jelito, gonady i kolagenową kutikulę. Osobniki męskie mają pojedyncze płatowatą gonadę oraz ogon wyposażony w organ kopulacyjny. Osobniki hermafrotytyczne mają parzyste jajniki, jajowody, spermateki oraz pojedynczą macicę.
Po kilkudziesięciu godzinach od złożenia jaj wylęgają się larwy, które przechodzą przez cztery stadia larwalne (L1 - L4 -wyznaczone okresami linienia) po czym dojrzewają i stają się osobnikami dorosłymi zdolnymi do rozmnażania. W zagęszczonej hodowli lub przy braku pokarmu występuje dodatkowa, alternatywna do L3 forma larwalna zwana dauer. Dauer są formą zatrzymaną w rozwoju, wolno się starzejącą. Są bardziej odporne na stres środowiskowy (brak pożywienia, niska wilgotność). Osobniki hermafrodytyczne produkują spermę w stadium rozwojowym L4, a jaja składają jako organizmy dorosłe [2]. Samce C. elegans mogą zaplemnić osobniki hermafrodytyczne, które preferencyjnie wykorzystują ich materiał genetyczny do zapłodnienia swoich komórek jajowych. Samozapłodnienie form hermafrodytycznych umożliwia uzyskanie linii homozygotycznych mutantów. W temperaturze 20^o C długość życia pojedynczego osobnika linii laboratoryjnych C. elegans wynosi 2-3 tygodnie, a powstanie kolejnej generacji wymaga 4 dni. Hermafrodytyczne osobniki C. elegans mogą wymieniać materiał genetyczny między sobą bądź ulegać samozapłodnieniu. C. elegans mają 5 par chromosomów autonomicznych i jedną parę chromosomów płciowych. Hermafrodytyczne C. elegans mają parę chromosomów płciowych (XX), osobniki męskie mają tylko jeden taki chromosom (X0)

C. elegans jako organizm modelowy

C. elegans jest wykorzystywany jako organizm modelowy z kilku powodów. Nicienie można zamrażać. Po odmrożeniu zachowują one żywotność i są zdolne do dalszego rozmnażania się. Wysoka przeżywalność w niskich temperaturach umożliwia długoterminowe przechowywanie poszczególnych linii C. elegans. Nicień ten przydatny jest szczególnie w badaniach różnicowania się komórek, ponieważ znane są kompletne linie rozwojowe poszczególnych komórek embrionalnych. Perspektywy badań z wykorzystaniem C. elegans wydają się bardzo szerokie. Przewaga C. elegans nad innymi organizmami polega na tym, że będąc eukariotycznym wielokomórkowym organizmem jest na tyle prosty, że badania można jednocześnie prowadzić na poziomie molekularnym jak i na poziomie organizmalnym. Poznano losy rozwojowe każdej pojedynczej somatycznej komórki budującej ciało C. elegans. Dorosły hermafrodytyczny osobnik składa się 959 komórek, a dojrzały osobnik męski 1031. Losy rozwojowe i pochodzenie poszczególnych komórek są prawie identyczne pomiędzy poszczególnymi osobnikami (rozwój embrionalny mozaikowy, ściśle deterministyczny), w przeciwieństwie do rozwoju niedeterministycznego jaki obserwuje się u zarodków ssaków, gdzie większe znaczenie mają wzajemne oddziaływania komórek. U obydwu płci C. elegans w trakcie rozwoju powstaje duża liczba dodatkowych komórek, które eliminowane są w procesie programowanej śmierci komórki (apoptozy). U hermafrodytów w trakcie rozwoju powstaje 1030 komórek, z których 131 obumiera w wyniku tego procesu. C. elegans jest jednym z najprostszych organizmów z dobrze wykształconym system nerwowym. Układ nerwowy osobników hermafrodytycznych składa się z 302 neuronów. Niewielka liczba komórek nerwowych sprawiła, że szczegółowo został poznany ich rozwój i wzajemna sieć połączeń [3]. Naukowcy odkryli mechanizmy odpowiedzialne za kilka interesujących zachowań wykazywanych przez wszystkie osobniki C. elegans - chemotaksję, termotakscję, mechanotransdukcję oraz zachowania rozrodcze samców. C. elegans wykazuje szereg swoistych zachowań oraz podlega elementarnym procesom uczenia się. Nicień ten jest szczególnie przydatny do molekularnych badań funkcji układu nerwowego. Podobnie jak w przypadku innych organizmów modelowych istnieje kilka specjalistycznych internetowych baz danych gromadzących wiedzę na temat C. elegans. WormBase zawiera wszystkie opublikowane dane na temat C. elegans i spokrewnionych z nim nicieni. Dostępne są także liczne protokoły doświadczalne oraz ponad 2000 linii laboratoryjne C. elegans (Caenorhabditis Genetics Center University of Minesotta).

Genom

C. elegans był pierwszym organizmem wielokomórkowym, którego genom został w całości zsekwencjonowany. Ostateczna sekwencja genomu została opublikowana w 1998 r. [4] chociaż zawierała ona kilka przerw o nieznanej sekwencji (ostanie brakujące dane opublikowano w październiku 2002 roku). Genom C. elegans składa się w przybliżeniu ze 97 milionów par zasad i zawiera około 19 400 genów. Przeciętna wielkość genu 5 kb, średnio 5 exonów w genie, zawartość AT - 44%, Znaczna część z tych genów koduje białka, jednak ok. 1000 RNA. Scharakteryzowano ok. 1300 białek, funkcja około 8000 białek pozostaje nieznana. W 2003 r. poznano sekwencję DNA w genomie C. briggsae co umożliwia badania porównawcze z C. elegans [5]. Obecne badania mają na celu poznanie sekwecji nukleotydowych w genomach innych nicieni z tego samego rodzaju takich jak C. remanei [1] and C. japonica [2]. C. elegans jest idealnym modelem do badań nad funkcjonalną genomiką. Kompletnie zsekwencjonowany genom umożliwia szczegółowe badania funkcji genów oparte na technice wyciszania genów przy użyciu RNA interferującego (RNAi).

Nagroda Nobla za badania nad C. elegans

W 2002 roku Sydney Brenner, H. Robert Horvitz i John Sulston otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycia dotyczące genetyki, biologii rozwoju i programowanej śmierci komórek u C. elegans.

C. elegans w mediach

W lutym 2003 roku media doniosły, że nicienie przeżyły katastrofę wahadłowca Columbia [6].

Literatura

1. Brenner, S. (1974). The Genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics 77: 71 - 94.

2. Nayak, S., J. Goree and T. Schedl (2004). fog-2 and the Evolution of Self-Fertile Hermaphroditism in Caenorhabditis. PLoS Biology 3 (1)

3. Watts D. J. and S. H. Strogatz (1998). Collective dynamics of 'small-world' networks. Nature 393 (6684): 440 - 442.

4. The C. elegans Sequencing Consortium (1998). Genome sequence of the nematode C. elegans: a platform for investigating biology. Science 282: 2012 - 2018.

5. Stein, L. D. et al. (2003). The Genome Sequence of Caenorhabditis briggsae: A Platform for Comparative Genomics. PLoS Biology 1: 166 - 192.

6. "Worms survived Columbia disaster", BBC News, 2003-05-01.