Caenorhabditis elegans: modelinis nematodas genetikos ir vystymosi tyrimams
Caenorhabditis elegans — modelinis nematodas, atveriantis genetikos ir vystymosi paslaptis: trumpas, lengvai auginamas organizmas su pilnu genomu ir Nobelio pripažinimu.
Caenorhabditis elegans yra apvaliųjų kirmėlių arba nematodų rūšis, plačiai naudojama gyvybės mokslų tyrimuose. Ji svarbi, nes atlikta daug jos genetikos ir vystymosi tyrimų, o daugelis atradimų su šiuo organizmu turėjo reikšmingą poveikį biologijos supratimui.
Morfologija ir biologija
C. elegans yra maždaug 1 mm ilgio su plonu, skaidriu kūnu, todėl jos vidines struktūras galima stebėti naudojant šviesos mikroskopiją. Kirmėlės nėra parazitai, jos gyvena laisvai – dažniausiai dirvožemyje ar organinėse atliekose – ir minta bakterijomis. Dėl skaidrios odos ir nedidelio ląstelių skaičiaus šis organizmas yra itin tinkamas morfologiniams ir ląstelių lygmens tyrimams.
C. elegans yra modelinis organizmas, naudojamas gyvūnų vystymuisi ir elgsenai tirti. Tai pirmasis daugialąstelinis organizmas, kurio visą genomą mokslininkams pavyko susekvenuoti (genomas paskelbtas vėlyvais 1990‑aisiais; viso ~100 Mb, apytiksliai ~20 000 genų). Hermaphrodite turi fiksuotą somatinį ląstelių skaičių – apie 959 somatines ląsteles, o nervų sistema hermaphrodite susideda iš 302 neuronų, kurių jungtys („connectome“) yra vienos iš geriausiai ištirtų. Patinų somatinis ląstelių skaičius yra kitoks (daugiau dėl specifinių reprodukcinių struktūrų).
Reprodukcija ir vystymosi ciklas
C. elegans turi dviejų tipų lytį: hermafroditas ir patinas. Hermafroditas gamina spermatozoidus lervos stadijoje, o kiaušialąstės susidaro suaugusio individo stadijoje, todėl hermafroditai gali daugintis savisėkliai (self‑fertilization). Patinas gali gaminti tik spermatozoidus ir dalyvauja kryžminėje apvaisinimo reprodukcijoje; patinai yra šiek tiek mažesni už hermafroditus.
Gyvenimo ciklas priklauso nuo temperatūros: laboratorinėms populiacijoms dažnai taikoma 20–25 °C temperatūra. Esant ~25 ºC, embrioninė raida trunka apie 14 valandų, o visas vystymosi procesas nuo kiaušinėlio iki suaugusio trunka parą ar kelias dienas, priklausomai nuo temperatūros. Esant nepalankioms sąlygoms, atsiranda speciali uždelsto vystymosi stadija – dauer – kuri yra ypatingai ištverminga ir leidžia išgyventi stresines sąlygas bei paskleisti populiacijas į naujas nišas.
Mokslinių tyrimų reikšmė
Tyrimus su C. elegans 1965 m. pradėjo Sydney Brenneris, kuris skatino šią rūšį kaip modelį vystymosi ir genetikos tyrimams. Laboratorijose juos lengva išlaikyti gyvus: jie auga ant specialių agaro plokštelių, kuriuose tiekiamos bakterijos (dažniausiai laboratorinė E. coli linija OP50). Kirmėles galima lengvai genetiškai manipuliuoti, atlikti mutagenizaciją, genų ekspresijos tyrimus, RNAi (RNR interferencija) eksperimentus ir kt. Be to, C. elegans mėgsta paprastą auginimą, greitą generacijų kaitą ir juos galima užšaldyti ilgalaikiam saugojimui laboratorinėse kolekcijose.
Dėl jų paprastumo ir išsamiai dokumentuotos ląstelių linijos – John Sulston ir kolegos detaliai susekveno kiekvienos ląstelės vystymąsi nuo zigotos iki suaugusio individo – C. elegans tapo kertiniu įrankiu tyrimams apie genus, ląstelių diferenciaciją ir programinę ląstelių mirtį (apoptozę). 2002 m. Nobelio medicinos premija buvo paskirta Sidnėjui Brenneriui, Robertui Horvicui ir Džonui Sulstonui už darbą, kuriame jie nustatė, kaip C. elegans genai lemia jos augimą ir kai kurių ląstelių mirtį. Vėliau, 2006 m., Andrew Fire ir Craig Mello gavo Nobelio premiją už RNA interferencijos atradimą, kurį taip pat tyrinėjo naudojant C. elegans.
Pagrindinės savybės ir taikymai
- Mažas ir skaidrus kūnas – leidžia tiesioginius ląstelių ir audinių stebėjimus.
- Fiksuotas ląstelių skaičius ir pilnas ląstelių linijos žemėlapis – ypač vertinga vystymosi biologijoje.
- Visiškai sekvenuotas genomas (~100 Mb, ~20 000 genų) – palengvina genų funkcijų tyrimus.
- Lengva genetiškai manipuliuoti (mutacijos, transgenai, RNAi) – taikoma genetikos, neurobiologijos, senėjimo, medžiagų apykaitos ir ligų modelių tyrimams.
- Jungčių tinklas (connectome) gerai ištirtas – svarbu neuroninių tinklų ir elgsenos studijoms.
Praktinė laboratorinė priežiūra
Laboratorijose C. elegans dažniausiai auginamos ant NGM (nematode growth medium) agaro su E. coli OP50 kaip mityba. Kultūras galima lengvai dauginėti, perkelti mikroskopu arba išplauti; populiacijas galima užšaldyti ir laikyti ilgą laiką. Dėl paprasto auginimo ir gerai aprašytų eksperimentinių metodų, C. elegans yra prieinama ir ekonomiška sistema tiek pradedantiesiems, tiek pažengusiems tyrėjams visame pasaulyje.
Apibendrinant, Caenorhabditis elegans – tai universalus ir galingas modelinis organizmas, kurio tyrimai suteikė daug žinių apie genų funkcijas, vystymąsi, neuronų veiklą ir ląstelių mirtį, o jo reikšmė moderniai biologijai tebėra didelė.
Apvalioji kirmėlė
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra Caenorhabditis elegans?
A: Caenorhabditis elegans yra apvaliųjų kirmėlių arba nematodų rūšis.
K: Kodėl C. elegans yra svarbus?
A.: C. elegans yra svarbus, nes atlikta daug jo genetikos ir vystymosi tyrimų, todėl jis yra pavyzdinis organizmas, naudojamas gyvūnų vystymuisi ir elgsenai tirti. Tai taip pat buvo pirmasis daugialąstelinis organizmas, kurio visą genomą mokslininkams pavyko susekvenuoti.
Klausimas: Kokio dydžio yra C. elegans kirmėlės?
A: C. elegans kirmėlės yra maždaug 1 mm ilgio.
K: Ar jos yra parazitai?
Atsakymas: Ne, jie yra laisvai gyvenantys organizmai, kurie gyvena dirvožemyje ir minta bakterijomis.
K: Kokių rūšių lytį turi C. elegans?
A: C. elegans turi dviejų tipų lytį - hermafroditų ir patinų, patinai yra šiek tiek mažesni už hermafroditus. Hermafroditai lervos stadijoje gamina spermatozoidus, o suaugę - kiaušialąstes, o patinai gali gaminti tik spermatozoidus.
Klausimas: Kas pradėjo tyrinėti C.?elegans?
A: Tyrimus naudojant C. elegans 1965 m. pradėjo Sidnėjus Brenneris, kuris vėliau kartu su Robertu Horvitzu ir Džonu Sulstonu 2002 m. laimėjo Nobelio medicinos premiją už darbą, kuriame nustatė, kaip kirmėlės genai lemia jos augimą ir kai kurių jos ląstelių mirtį.
Klausimas: Kodėl tokie gyvūnai kaip C.?elegans yra tinkami moksliniams tyrimams?
A: Tokie gyvūnai kaip C. elegans, kurie ilgai neauga ir yra lengvai maitinami, paprastai yra geri organizmai tyrimams, nes juos galima lengvai išlaikyti gyvus laboratorijose 25 ºC temperatūroje, kur jie praleidžia 14 valandų kaip embrionas.
Ieškoti