Құбыршақ құрт – Caenorhabditis elegans туралы ақпарат

Кіріспе

Еркін тіршілік ететін нематода түрі

Caenorhabditis elegans (,/s//iː//n//oʊ//r//æ//b/'/d//aɪ//t//ə//s// /'/ɛ//l//ə//ɡ//æ//n//s/) – шамамен 1 мм ұзындығындағы, мөлдір, қоңыржай топырақ ортасында тіршілік ететін еркін тіршілік ететін нематода. Ол өз тұқымдасының типтік түрі. Атауы грек тілінен келген caeno (жаңа), rhabditis (табан сияқты) және латын тілінен келген elegans (элегантты) сөздерінің қосындысы. 1900 жылы Маупас оны Rhabditides elegans деп атады. 1952 жылы Ош оны Caenorhabditis кіші тұқымдасына жатқызды, ал 1955 жылы Догерти Caenorhabditis тұқымдасының мәртебесін берді. C. elegans сегменттелмеген псевдоцеломат және тыныс алу немесе қан айналымы жүйесіне ие емес. Бұл нематодалардың көпшілігі гермафродиттер, ал азы – еркектер. Еркектерде жұптасуға арналған арнайы құйрықтары және тікенектері болады. 1963 жылы Сидней Бреннер негізінен нейрондық даму саласында C. elegans-ты зерттеуді ұсынды. 1974 жылы ол C. elegans-тың молекулалық және даму биологиясын зерттеуді бастады, ол одан бері модельдік организм ретінде кеңінен қолданылып келеді. Ол геномдық тізбегі толығымен анықталған алғашқы көпжасушалы организм болды, және 2019 жылы…

Анатомия

C. elegans сегменттелмеген, құрт тәрізді және екі жақты симметриялы. Оның қабықшасы (экзоскелет сияқты берік сыртқы жабын), төрт негізгі эпидермалық арқандары және сұйықтықпен толтырылған псевдоцелом (дене қуысы) бар. Оның кейбір мүшелері ірі жануарларға ұқсас. Мыңнан бір еркек, ал қалғаны гермафродит. C. elegans-тың негізгі анатомиясына ауыз, жұтқыншақ, ішек, жыныс безі және коллагенді қабықша кіреді. Барлық нематодалар сияқты, оларда қан айналымы және тыныс алу жүйесі жоқ. Дене бойымен созылатын төрт бұлшық еттер тобы жүйке жүйесімен байланысқан, бұлшық еттер жануардың денесін тек жоғары немесе төмен иілу арқылы қозғалта алады, бірақ солға немесе оңға емес, басынан басқа, онда төрт бұлшық ет квадранты бір-бірінен тәуелсіз жұмыс істейді. Денедегі жоғары/төмен бұлшық еттердің жиырылу толқыны артқы жағынан алдыңғы жағына қарай жылжыса, жануар артқа қарай итереді. Егер жиырылу толқыны алдыңғы жағынан басталып, дене бойымен артқа қарай жүрсе, жануар алға жылжытады. Дене иілулерінің жоғары/төмен бағыттылығының салдарынан, кез келген қалыпты тірі, қозғалатын жеке адам көлденең бетке кесіп өтетінін байқағанда сол немесе оң жағына жатуға бейім. Денедің бүйір жағындағы қабырғалар жиынтығы, ала, осы иілу қозғалыстары кезінде жануарға қосымша ұстауға көмектеседі деп саналады. Липид метаболизміне қатысты, C. elegans сүтқоректілерге қарағанда арнайы майлы тіндерге, бүйрек безіне, бауырға немесе тіпті қоректік заттарды жеткізуге арналған қанға ие емес. Нейтральды липидтер ішекте, эпидермисте және эмбриондарда сақталады. Эпидермис сүтқоректілердің майлы жасушаларына сәйкес келеді, себебі ол негізгі триглицеридтер қоймасы болып табылады. Жұтқыншақ – C. elegans басындағы бұлшықетті тағам сорғысы, көлденең қимасы үшбұрышты. Бұл тағамды ұнтақтап, тікелей ішекке жеткізеді. Жұтқыншақты ішекке жалғастыратын «клапан жасушалары» бар, бірақ осы клапанның қалай жұмыс істейтіні белгісіз. Ас қорытылғаннан кейін, ішектің ішіндегісі ректальды арна арқылы шығарылады, басқа барлық нематодалардағыдай. Жұтқыншақ пен сұйық зәрді шығаруға арналған экскреторлық каналдың арасында тікелей байланыс жоқ. Еркектерде бір бөлікті жыныс безі, спермалық өзек және жұптасуға арналған арнайы құйрығы бар, онда тікенектер орналасқан. Гермафродиттерде екі жұмыртқалық, жұмыртқа түтіктері, сперматека және бір жатыр бар. C. elegans-та 302 нейрон бар, бұл бүкіл денедегі барлық жасушалардың шамамен үштен бірін құрайды. Нейрондарда дендриттер болады, олар жасушадан нейротрансмиттерлерді қабылдау үшін созылады, ал жүйке сақинасына (миға) дейін созылатын өскіндер нейрондар арасындағы синапты байланыс үшін пайдаланылады. C. elegans-та холинергиялық және ГАМК-ергиялық нейрондар деп аталатын қозғалтқыштық қоздырғыш және тежегіш нейрондар бар, олар осы кішкентай тіршілік иесінің жұмысын реттеуге көмектеседі. Олар жүйке жүйесіне әсер етпейді, тек нейрондық импульстерді реттейді.

C. elegans is unsegmented, vermiform, and bilaterally symmetrical. It has a cuticle (a strong outer covering, as an exoskeleton), four main epidermal cords, and a fluid filled pseudocoelom (body cavity). It also has some of the same organ systems as larger animals. About one in a thousand individuals is male and the rest are hermaphrodites. The basic anatomy of C. elegans includes a mouth, pharynx, intestine, gonad, and collagenous cuticle. Like all nematodes, they have neither a circulatory nor a respiratory system. The four bands of muscles that run the length of the body are connected to a neural system that allows the muscles to move the animal's body only as dorsal bending or ventral bending, but not left or right, except for the head, where the four muscle quadrants are wired independently from one another. When a wave of dorsal/ventral muscle contractions proceeds from the back to the front of the animal, the animal is propelled backwards. When a wave of contractions is initiated at the front and proceeds posteriorly along the body, the animal is propelled forwards. Because of this dorsal/ventral bias in body bends, any normal living, moving individual tends to lie on either its left side or its right side when observed crossing a horizontal surface. A set of ridges on the lateral sides of the body cuticle, the alae, is believed to give the animal added traction during these bending motions. In relation to lipid metabolism, C. elegans does not have any specialized adipose tissues, a pancreas, a liver, or even blood to deliver nutrients compared to mammals. Neutral lipids are instead stored in the intestine, epidermis, and embryos. The epidermis corresponds to the mammalian adipocytes by being the main triglyceride depot. The pharynx is a muscular food pump in the head of C. elegans, which is triangular in cross section. This grinds food and transports it directly to the intestine. A set of "valve cells" connects the pharynx to the intestine, but how this valve operates is not understood. After digestion, the contents of the intestine are released via the rectum, as is the case with all other nematodes. No direct connection exists between the pharynx and the excretory canal, which functions in the release of liquid urine. Males have a single lobed gonad, a vas deferens, and a tail specialized for mating, which incorporates spicules. Hermaphrodites have two ovaries, oviducts, and spermatheca, and a single uterus. There are 302 neurons in C. elegans, approximately one third of all the cells in the whole body. Neurons contain dendrites which extend from the cell to receive neurotransmitters, and a process that extends to the nerve ring (the "brain") for a synaptic connection between neurons. C. elegans has motor excitatory and inhibitory neurons, known as cholinergic and gabaergic neurons, which simply act as further regulation for the tiny creature. They have no influence on the nervous system besides regulating neuron impulses.

Ішек түйіршіктері

C. elegans ішегінде көптеген ішек түйіршіктері бар, олардың функциялары әлі толыққанды анықталмаған, осы нематоданың көптеген басқа да аспектілері сияқты, оны көп жылдар бойы зерттегеніне қарамастан. Бұл ішек түйіршіктері Рабдитидалардың барлық қатарларында кездеседі. Олар лизосомаларға өте ұқсас, себебі оларда қышқыл ішкі орта және эндоцитоз қабілеті бар, бірақ олар едәуір үлкен, бұл олардың сақтау органельдері екенін көрсетеді. Түйіршіктердің ерекшелігі – ультракүлгін сәулелер астында қарағанда, олар қарқынды көк флуоресценция шығарады. Тағы бір байқалатын құбылыс – «өлім флуоресценциясы». Құрттар өлгенде, күрт көк флуоресценция шығады. Бұл өлім флуоресценциясы әдетте ішек бойымен алдыңғыдан артқа қарай қозғалатын толқын түрінде жүреді және жас, ескі құрттарда, сондай-ақ өлімге әкелетін жарақаттанған немесе қартайып өлгендерде де байқалады. Ішек түйіршіктерінің функциялары туралы көптеген теориялар ұсынылған, бірақ ертеректегілері кейінгі зерттеулермен жоққа шығарылды. Олардың бір функциясы – мырыш сақтау деп есептеледі. Жақындағы химиялық талдаулар олардың құрамында көк флуоресцентті материал бар екенін анықтады. Ішектегі көптеген түйіршіктердегі АА-ның (антранилик қышқылы) көп мөлшерінің қажеттілігі күмәнді. Бір мүмкіндік – АА бактерияға қарсы әсер етеді және организмге енген патогендерге қарсы қорғаныс ретінде қолданылады. Тағы бір мүмкіндік – түйіршіктер фотоқорғаныш қызметін атқарады; АА флуоресценциясының күрт өрбуі зиянды ультракүлгін сәулелерді салыстырмалы түрде зиянсыз көрінетін жарыққа айналдырады. Бұл меланин қамтитын меланосомалармен байланысты болуы мүмкін.

Көбею

Гермафродит құрт өзіндік сүектеуге қабілетті әйелдің арнайы түрі саналады, себебі оның денесі әйелдік. Гермафродиттік ұрықжатыс алдымен еркек гаметаларын өндіреді, ал ішкі ұрықтандырудан кейін жатыр арқылы жұмыртқа салады. Гермафродиттер барлық сперматозоидтарын L4 сатысында (бір гонадалық қолға 150 сперматозоид) өндіреді, содан кейін тек ооциттерді өндіреді. Гермафродиттік жыныс безі овутестис ретінде жұмыс істейді, сперматозоидтар жыныс безінің бір аймағында сақталады, бірінші ооцит оларды сперматотекаға (ооциттер сперматозоидтармен ұрықтанатын камера) итеріп салуға дейін. Еркек гермафродитті ұрықтандыра алады, ол басымдықпен еркек сперматозоидын пайдаланады (сперматозоидтың екі түрі де сперматотекада сақталады). C. elegans сперматозоидтары амебоидты, біліктері мен акросомалары жоқ. Өзін-өзі ұрықтандырғанда, жабайы құрт шамамен 300 жұмыртқа салады. Еркек ұрықтандырғанда ұрпақ саны 1000-нан асуы мүмкін. Гермафродиттер әдетте басқа гермафродиттермен жұптаспайды. 20°C температурада C. elegans (N2) зертханалық штаммының орташа өмір сүру ұзақтығы 2-3 апта, ал ұрпақ алмасу мерзімі 3-4 күнге жетеді. C. elegans бес жұп аутосомаға және бір жұп жыныс хромосомасына ие. C. elegans-тағы жыныс X0 жыныс анықтау жүйесіне негізделген. C. elegans гермафродиттерінде жыныс хромосомаларының (XX) жұптары сәйкес келеді, ал сирек кездесетін еркектерде тек бір жыныс хромосомасы (X0) болады.

Жынысты анықтау

C. elegans көбінесе гермафродит организмдер, сперматозоидтар мен ооциттерді өндіреді. Еркектер популяцияда шамамен 200 гермафродитке 1-інен кездеседі, бірақ екі жыныс арасындағы айырмашылық өте зор. Еркектер гермафродиттерден кішірек болады және оларды құйрық пішіні арқылы анықтауға болады. C. elegans-та жыныстық белгілену tra-1 генімен байланысты. tra-1 – бұл TRA-1 транскрипциялық фактордың жыныстық белгілену жолындағы ген, ол транскрипциядан кейін реттеледі және әйелдердің дамуын ынталандыру арқылы жұмыс істейді. Олар модельдік организм ретінде қолданылатындықтан, олардың жыныстық белгілену жүйесі қалай дамыған болуы мүмкін екендігі туралы кез келген мәлімет басқа организмдердегі эволюциялық биология зерттеулерін одан әрі дамытуға көмектеседі. Шамамен 30 жылдық зерттеулерден кейін ғалымдар мұндай жүйенің эволюциясының фрагменттерін біріктіре бастады. mix-1 гені Х хромосомасын гипоактивтендіретіні және C. elegans-та еркек құйрығының морфологиясын реттейтіні белгілі. Нематоданы тұтас қарастырғанда, еркек және гермафродит жынысы параллель эволюция нәтижесінде пайда болған болуы мүмкін. Дегенмен, Х хромосомасындағы сперматозоид гендерінің эволюциялық деңгейі төмендеген. Сперматозоид гендерінің кодтау тізбегі қысқа, кодондық бейімділігі жоғары және жетім гендер арасында диспропорционалды үлестіңіз. Сперматозоид микротубулаларын ұйымдастыру орталығы сперматозоид пронуклеусінің болашақ эмбрионның артқы полюсіне қозғалысын бақылайды, сонымен қатар цитоплазмалық детерминация факторларының тобы – PAR ақуыздарының тиісті орындарына қозғалысын ынталандырады. PAR ақуыздарының таралуындағы айырмашылықтың нәтижесінде алғашқы жасушалық бөліну өте асимметриялық болады. C. elegans эмбриогенезі – асимметриялық жасушалық бөлінудің ең жақсы түсінілген мысалдарының бірі. Жыныс жасушаларының барлық жасушалары эмбриогенездің ерте кезеңінде құрылған P4 жасушасы деп аталатын жалғыз бастапқы жыныс жасушасынан пайда болады. Бұл бастапқы жасуша екі герм жасушасын жасайды, олар ұрықтанғаннан кейін ғана бөлінеді. Wnt сигналдау арқылы P2 жасушасы EMS жасушасына алдыңғы-артқы ось бойымен бөлінуді жүктемелейді. Notch сигналдау арқылы P2 жасушасы ABp және ABa жасушаларын дифференциалды түрде белгілейді, бұл арқалық-қарнылық осьті одан әрі анықтайды. Сол-оң ось де эмбриогенездің ерте кезеңінде көрінеді, бірақ ось нақты қашан анықталатыны белгісіз. Дегенмен, L R осьінің дамуының көптеген теориялары AB жасушасынан туындаған жасушалардағы қандай да бір айырмашылықтарды қамтиды.

C. elegans are mostly hermaphroditic organisms, producing both sperms and oocytes. Males do occur in the population in a rate of approximately 1 in 200 hermaphrodites, but the two sexes are highly differentiated. Males differ from their hermaphroditic counterparts in that they are smaller and can be identified through the shape of their tail. In C. elegans, somatic sex determination is attributed to the tra 1 gene. The tra 1 is a gene within the TRA 1 transcription factor sex determination pathway that is regulated post transcriptionally and works by promoting female development. Since they are used as a model organism, any information discovered about the way their sex determination system might have evolved could further the same evolutionary biology research in other organisms. After almost 30 years of research, scientists have begun to put together the pieces in the evolution of such a system. The mix 1 gene is known to hypoactivate the X chromosome and regulates the morphology of the male tail in C. elegans. Looking at the nematode as a whole, the male and hermaphrodite sex likely evolved from parallel evolution. However, sperm genes on the X chromosome have reduced evolution rates. Sperm genes have short coding sequences, high codon bias, and disproportionate representation among orphan genes. The sperm microtubule organizing center directs the movement of the sperm pronucleus to the future posterior pole of the embryo, while also inciting the movement of PAR proteins, a group of cytoplasmic determination factors, to their proper respective locations. As a result of the difference in PAR protein distribution, the first cell division is highly asymmetric. C. elegans embryogenesis is among the best understood examples of asymmetric cell division. All cells of the germline arise from a single primordial germ cell, called the P4 cell, established early in embryogenesis. This primordial cell divides to generate two germline precursors that do not divide further until after hatching. Through Wnt signaling, the P2 cell instructs the EMS cell to divide along the anterior posterior axis. Through Notch signaling, the P2 cell differentially specifies the ABp and ABa cells, which further defines the dorsal ventral axis. The left right axis also becomes apparent early in embryogenesis, although it is unclear exactly when specifically the axis is determined. However, most theories of the L R axis development involve some kind of differences in cells derived from the AB cell.

Гаструляция

Гаструляция эмбрион 24 жасушалы кезеңге жеткеннен кейін жүзеге асады. C. elegans – протостомалардың бір түрі болғандықтан, бластопор ақырында ауызға айналады. Бластопорға ену эндодерма жасушаларының қозғалысымен басталып, одан кейін ішек пайда болады, содан соң P4 гермдік алғыртқышы, және соңында фаринксті құрайтын жасушаларды қоса мезодерма жасушалары пайда болады. Гипобласттардың эпиболиясы бластопорды жапқанда гаструляция аяқталады.

Эмбриондан кейінгі даму

Көбеюге қолайлы орта жағдайында, шайқасқан личинкалар L1, L2, L3 және L4 – төрт личинкалық сатыдан 20°C температурада 3 күннің ішінде өтеді. Азық-түлік жетіспеушілігі, тым жоғары тығыздық немесе жоғары температура сияқты стрестік жағдайларда C. elegans балама үшінші личинкалық сатыға, L2d, «dauer» сатысына (Dauer – неміс тілінен «тұрақты») кіре алады. «Dauer» күйіне өтуді арнайы «dauer» феромоны реттейді. Бұл феромон 3,6-дидеокси қантының – аскарилозаның ұқсас туындыларынан тұрады. Аскарилозаның атымен аталған аскарозидтер, жыныстық айырмашылықтар мен әлеуметтік мінез-құлықтың көптеген аспектілеріне қатысады. Осылайша, олар C. elegans-тың түрлі фенотиптерді өзгерту үшін пайдаланатын химиялық тілді құрайды. «Dauer» личинкалары стреске төзімді; олар жұқа болады, ауыздары ерекше «dauer» қабықшасымен жабылады және тамақтана алмайды. Олар осы сатыда бірнеше ай бойы қалуы мүмкін. Бұл сатыс, L2 сатысында жыныс бездерінің дамуы тоқтағанмен, жағдайлар жақсарғанда личинка L4 сатысына ауысып, одан әрі өсе бастайды. Әр сатысқа өту құрттың мөлдір қабығының түлеуімен белгіленеді. Бұл сатыстардағы өтулер гетерохроникалық жолдың гендерімен – эволюциялық сақталған реттеуші факторлар жиынтығымен басқарылады. Көптеген гетерохроникалық гендер микроРНК-ны кодтайды, олар гетерохроникалық транскрипция факторлары мен басқа гетерохроникалық микроРНК-лардың экспрессиясын басады. МикроРНК алғаш рет C. elegans-та ашылған. Гетерохроникалық гендермен басқарылатын маңызды даму оқиғаларына гиподерма тігіс жасушаларының бөлінуі және одан кейінгі синцитиалды бірігуі, сондай-ақ жас ересектердегі олардың алаларын секрециялауы жатады. Гетерохроникалық жол циркадтық сағаттардың эволюциялық сақталған алдындағы түрі болып табылады деп саналады. Кейбір нематодаларда клеткалардың саны генетикалық тұрғыдан белгілі және тұрақты болады, бұл құбылыс эвтели деп аталады. Ересектегі C. elegans гермафродитінде 959 соматикалық жасуша бар, ал аталығында 1033 жасуша бар, бірақ аналардың ішек микробиомының әсерінен олардың ішек жасушаларының саны бірден үшке дейін артуы мүмкін деген болжам бар. Көптеген зерттемелерде аталықтардағы жасушалар саны 1031 деп көрсетілген, бірақ 2015 жылы сол және оң MCM нейрондарының жұбының табылуы осы санды екіге арттырды.

Under environmental conditions favourable for reproduction, hatched larvae develop through four larval stages L1, L2, L3, and L4 in just 3 days at 20 °C. When conditions are stressed, as in food insufficiency, excessive population density or high temperature, C. elegans can enter an alternative third larval stage, L2d, called the dauer stage (Dauer is German for permanent). A specific dauer pheromone regulates entry into the dauer state. This pheromone is composed of similar derivatives of the 3,6 dideoxy sugar, ascarylose. Ascarosides, named after the ascarylose base, are involved in many sex specific and social behaviors. In this way, they constitute a chemical language that C. elegans uses to modulate various phenotypes. Dauer larvae are stress resistant; they are thin and their mouths are sealed with a characteristic dauer cuticle and cannot take in food. They can remain in this stage for a few months. The stage ends when conditions improve favour further growth of the larva, now moulting into the L4 stage, even though the gonad development is arrested at the L2 stage. Each stage transition is punctuated by a molt of the worm's transparent cuticle. Transitions through these stages are controlled by genes of the heterochronic pathway, an evolutionarily conserved set of regulatory factors. Many heterochronic genes code for microRNAs, which repress the expression of heterochronic transcription factors and other heterochronic miRNAs. miRNAs were originally discovered in C. elegans. Important developmental events controlled by heterochronic genes include the division and eventual syncitial fusion of the hypodermic seam cells, and their subsequent secretion of the alae in young adults. It is believed that the heterochronic pathway represents an evolutionarily conserved predecessor to circadian clocks. Some nematodes have a fixed, genetically determined number of cells, a phenomenon known as eutely. The adult C. elegans hermaphrodite has 959 somatic cells and the male has 1033 cells, although it has been suggested that the number of their intestinal cells can increase by one to three in response to gut microbes experienced by mothers. Much of the literature describes the cell number in males as 1031, but the discovery of a pair of left and right MCM neurons increased the number by two in 2015.

Үлгілік организм ретінде пайдалану

1963 жылы Сидней Бреннер C. elegans-ті жануарлардың, әсіресе нейрондық дамуын зерттеу үшін үлгілік организм ретінде пайдалануды ұсынды. Бұл – жүйке жүйесі бар ең қарапайым организмдердің бірі. Нейрондары әрекет потенциалын тудырмайды және кернеуге сезімтал натрий каналдарын өндірмейді. Гермафродиттерде бұл жүйе 302 нейроннан тұрады, олардың құрылымы коннектома деп аталатын картаға толық түсірілген және кішкентай әлем желісі ретінде сипатталған. Зерттеулер C. elegans-тың химиотаксис, термотаксис, механотрансдукция, оқу, есте сақтау және жұптасу сияқты әртүрлі мінез-құлқына жауапты нейрондық және молекулалық механизмдерді зерттеді. 2019 жылы еркектердің коннектомы гермафродиттерді зерттеу үшін қолданылған әдістен өзгеше техникамен жарияланды. Сол мақалада жаңа техника қолданылып гермафродит коннектомасы қайта жасалды, нәтижесінде 1500 жаңа синапс табылды. Ол метаболизмдік аурулардың молекулалық механизмдерін зерттеу үшін де үлгілік организм ретінде қолданылды. Бреннер оны көп мөлшерде өсірудің оңайлығы және генетикалық талдауға ыңғайлылығы үшін таңдады. Бұл көпжасушалы эукариотты организм, бірақ егжей-тегжейлі зерттеуге жететіндей қарапайым. C. elegans-тың мөлдірлігі жасушалық дифференциация және организмнің қалыпты күйіндегі басқа да даму процестерін зерттеуді жеңілдетеді. Еркектердің тікенектері оларды әйелдерден анық ажыратады. Штаммдарды өсіру арзан, оларды тоңдатуға болады. Кейін ерітілген кезде олар тірі қалу қабілетін сақтайды, бұл ұзақ мерзімді сақтауға мүмкіндік береді. OP50 қолдану үшін күшті зертханалық қауіпсіздік шаралары қажет емес, себебі ол патогенді емес және Luria Bertani (LB) ортасында бір түнде оңай өседі.

Ұяшық тұқымын карталау

Әрбір жеке соматикалық жасушаның даму тағдыры (959 ересек гермафродитте; 1031 ересек еркекте) картаға түсірілді. Бұл жасушалық ұрпақ үлгілері жеке адамдар арасында көбінесе өзгермейді, ал сүтқоректілерде жасуша дамуы эмбрионнан келетін жасушалық сигналдарға көбірек байланысты. Бұрын айтылғандай, C. elegans-тағы ерте эмбриогенездің алғашқы жасушалық бөлінулері асимметриялық жасушалық бөлінулердің ең жақсы зерттелген мысалдарының бірі болып табылады, және бұл құрт даму биологиясын зерттеу үшін өте танымал модельдік жүйе.

РНК араласуы және генді үндету

РНК-ның араласуы (РНКi) – белгілі бір гендердің жұмысын тоқтатудың салыстырмалы түрде қарапайым әдісі. Геннің жұмысын тоқтату кейде зерттеушіге оның мүмкін болатын қызметін болжауға мүмкіндік береді. Нематоданы генетикалық түрлендірілген бактериялармен сіңдіруге, инъекция жасауға немесе тамақтандыруға болады, бұл бактериялар зерттеуші өшіргісі келетін геннің тізбегіне толық сәйкес келетін қос тізбекті РНК-ны өндіреді. РНКi функционалды геномиканы зерттеуде қуатты құрал ретінде пайда болды. C. elegans гендердің қызметін талдау үшін қолданылды және жүйелі генетикалық өзара әрекеттесулер саласындағы болашақ жаңалықтарға үміт білдіреді. Caenorhabditis туысына жататын құрттардың басқа түрлерінде қоршаған ортадан РНК-ны сіңіру нашарлайды. Жануардың дене қуысына РНК инъекциясы жасау көптеген түрлерде геннің жұмысын тоқтатуға әкелсе де, тек C. elegans және оған алыс туысқан жатқан бірнеше нематодтар ғана РНКi үшін жейтін бактериялардан РНК-ны сіңіре алады. Бұл қабілет sid 2 деген бір генге байланысты, ол басқа түрлерге трансген ретінде енгізілген кезде, C. elegans сияқты РНКi үшін РНК-ны сіңіруге мүмкіндік береді.

Жасушаның бөлінуі және клеткалық цикл

Мейозды зерттеулер едәуір жеңілдеді, себебі әрбір жыныс жасушасының ядросы жыныс безі бойымен төмен жылғанда, әрқашан бірдей жағдайда болады, сонымен қатар мейоздың бірдей сатысында да болады. Мейоздың бастапқы кезеңінде ооциттер радиацияға өте төзімді болады, ал бұл төзімділік рекомбинациялық жөндеуде маңызды рөл атқаратын rad51 және atm гендерінің экспрессиясына байланысты. Мre11 гені де мейоз кезінде ДНК зақымдануын рекомбинациялық жолмен жөндеуде маңызды рөл атқарады. Табиғи популяциялардағы алыс будандасу жиілігін зерттеу C. elegans-та көбеюдің басым түрі өзіндік будандасу екенін көрсетті, бірақ сирек алыс будандасу оқиғалары шамамен 1% жиілікте болады. Өзіндік будандасу нәтижесінде пайда болатын мейоздар пайдалы генетикалық өзгергіштікке маңызды үлес қоса алмайды, бірақ бұл мейоздар, әсіресе стрестік жағдайларда, туындаған ДНК зақымдануын рекомбинациялық жөндеу арқылы бейімделу артықшылығын қамтамасыз етуі мүмкін.

Есірткі мен нашақорлық

Никотинге тәуелділікті C. elegans-ты пайдаланып зерттеуге болады, себебі ол никотинге жауап ретінде сүтқоректілерде байқалатын сияқты мінез-құлықтық өзгерістерді көрсетеді. Осы өзгерістерге жедел реакция, төзімділік, абстиненттік синдром және сезімталдық кіреді.

Биологиялық деректер базалары

Көптеген модельді организмдерге қатысты, осы саладағы ғалымдар арнайы онлайн деректер базасын құрады, ал C. elegans үшін ол – WormBase. WormBase C. elegans және оған жақын туысқан нематодтар туралы жарияланған барлық ақпаратты жинақтауға тырысады. Олардың веб-сайтында жаңа, жақын туысқан нематод түрін тапқан адамға 4000 доллар сыйлық ұсынылған. Мұндай жаңалық құртты зерттеу мүмкіндіктерін арттырады.

Қартаю

C. elegans қартаюды зерттеу үшін үлгілік организм болды; мысалы, инсулинге ұқсас өсу факторының сигналдық жолын тежеу ересектердің өмір сүру мерзімін үш есеге ұзартады; ал глюкозамен қоректендіру тотығу стресін күшейтеді және ересектердің өмір сүру мерзімін екі есеге қысқартады. C. elegans-тың ұзақ өмір сүретін мутанттары тотығу стресіне және ультракүлгін сәулелерге төзімді екені көрсетілді. Бұл ұзақ өмір сүретін мутанттардың ДНК-ны жаңару қабілеті жабайы C. elegans-тан жоғары болды. 5 мМ литий хлориді (LiCl) әсерінен C. elegans-тың өмір сүру ұзақтығы ұзарды. 10 мкм LiCl әсері кезінде өлім-жітімнің төмендеуі байқалды, бірақ 1 мкм әсерінен жоқ. C. elegans пресенилин сияқты Альцгеймер ауруына қатысы бар гендердің функцияларын анықтауда маңызды рөл атқарды. Сонымен қатар, C. elegans-пен жүргізілген кең ауқымды зерттеулер РНК-мен байланысатын ақуыздарды гермдік және ерте эмбрионалды даму кезіндегі маңызды факторлар ретінде анықтады. Теломерлердің ұзындығы, C. elegans-тан адамға дейінгі көптеген организмдерде өмір сүру ұзақтығының артуымен және қарттықтың кешігуімен байланысты екені көрсетілді. C. elegans өз теломерлерін басқа эукариоттарға ұқсас канондық жолмен сақтайды, ал керісінше Drosophila melanogaster өз теломерлерін сақтау үшін ретротранспозондарды пайдаланады. Теломеразаның катализдік суббірлігін (trt 1) жою кезінде C. elegans баламалы теломер ұзарту (ALT) қабілетін иеленеді. C. elegans канондық теломераза жолынан шығарылғаннан кейін ALT функционалдығын алған алғашқы эукариот. ALT барлық клиникалық қатерлі ісіктердің шамамен 10-15%-інде байқалады. Осылайша C. elegans ALT зерттеулері үшін негізгі үміткер болып табылады. Баят және авторлар trt 1 жоғары экспрессиясы кезінде теломерлердің парадоксалды қысқаруын көрсетті, бұл жақын тұқымсыздыққа әкелді, бірақ қысқарған теломерлерге қарамастан, құрттар өмір сүру ұзақтығының шамалы артуын көрсетті.

Ұйқы

C. elegans жануарлардың ұйқысын зерттеуде ұйқыға ұқсас күйлерді көрсететін ең қарапайым организм ретінде көзге түседі. C. elegans-та әрбір түлеуден аз уақыт бұрын летарг фазасы байқалады. C. elegans сондай-ақ, жылу соққысы, ультракүлгін сәулелену және бактериялық токсиндер сияқты физикалық стресске ұшырағаннан кейін ұйықтайтыны көрсетілген.

Сенсорлық биология

Құрттың көзі болмаса да, жануарлар әлеміндегі басқа екі фотопигмент түріне (опсиндер мен криптохромдар) қарағанда 10-100 есе жарықты тиімдірек сіңіретін үшінші жарыққа сезімтал жануар фоторецептор ақуызы – LITE 1 арқасында жарыққа сезімтал екені анықталды. C. elegans үдеуге өте төзімді. Бразилиядағы Сан-Паулу университетінің генетиктерінің мәліметінше, ол 400 000 g күшке шыдай алады. Тәжірибе барысында, олардың 96%-ы ультрацентрифугада бір сағаттан кейін де ешқандай зиянды әсерлерсіз тірі қалды.

Ғарышқа ұшу зерттеулері

2003 жылдың ақпан айында "Колумбия" ғарыш кемесі апатынан аман қалған мысалдар табылғанда C. elegans жаңалықтарға айналды. Кейін, 2009 жылдың қаңтарында Ноттингем университетінің C. elegans тірі үлгілері осы жылдың қазан айында Халықаралық ғарыш станциясында екі апта өткізетіні жарияланды. Бұл ғарыш зерттеу жобасы бұлшықет дамуы мен физиологиясына гравитацияның жоқтығының әсерін зерттеуге бағытталған. Зерттеулер басты назарда бұлшықет атрофиясының генетикалық негізін қарастырды, бұл ғарышқа ұшумен, ұзақ төсек режимімен, қарттықпен немесе диабетпен байланысты. 2003 жылы "Колумбия" кемесінде болған құрттардың ұрпақтары STS 134 миссиясы үшін "Эндевор" ғарыш кемесімен ғарышқа ұшырылды. 2018 жылдан бастап Халықаралық ғарыш станциясында ғарышқа ұшу кезінде бұлшықет дистрофиясы бойынша қосымша эксперименттер жүргізілді. Бұлшықеттердің бекітілуіне жауапты гендердің ғарышта аз экспрессияланатыны көрсетілді. Дегенмен, мұның бұлшықет күшіне әсер ететіні әлі анықталған жоқ.

Геном

C. elegans – геномдық тізбегі толығымен анықталған алғашқы көпжасушалы организм болды. Тізбек 1998 жылы жарияланды, бірақ кішкентай олқылықтар болды; соңғы олқылық 2002 жылдың қазанында жойылды. Геномдық тізбек толық аяқталуға дейін C. elegans Sequencing Consortium/C. elegans геномдық жобасы бірнеше жартылай тізбектемені жариялаған, оның ішінде Уилсон және авторлар тобының 1994 жылғы еңбегі бар.

Өлшемі мен гендер құрамы

C. elegans геномінің ұзындығы шамамен 100 миллион негіз жұбынан тұрады және гермафродиттерде алты жұп хромосомадан немесе еркек C. elegans-та XO хромосомасы бар бес жұп автосомадан, сондай-ақ митохондриялық геномнан құралады. Оның ген тығыздығы 5 килобазаға 1 генті құрайды. Интрондар геномның 26%-ын, ал интергендік аймақтар 47%-ын құрайды. Көптеген гендер кластерлерде орналасқан, ал олардың қаншасы оперон екені әлі белгісіз. C. elegans және басқа да нематодалар қазіргі таңдағыда операны бар екені белгілі еукариоттардың санатында; олардың ішінде трипаносомалар, жалпақ құрттар (әсіресе Schistosoma mansoni трематодасы) және примитивті хордалы Oikopleura dioica түбіті кіреді. Көптеген басқа организмдерде де осы оперонның болуы мүмкін. Геномда шамамен 20 470 белокты кодтайтын ген бар. C. elegans гендерінің шамамен 35%-ы адамның гомологтарымен сәйкес келеді. Қызықтысы, адам гендері C. elegans-қа енгізілген кезде олардың C. elegans гомологтарын ауыстыратындығы бірнеше рет көрсетілді. Керісінше, көптеген C. elegans гендері сүтқоректілердің гендері сияқты жұмыс істей алады. Қазіргі уақытта геномда 16 000-нан астам РНК гендері бар екені есептеледі, бұл 2005 жылы 1300 геннен асып түседі. Ғылыми кураторлар белгілі гендер жиынтығын бағалауды жалғастыруда, жаңа гендер үлгілері қосылып, дұрыс еместері түзетіледі немесе алынып тасталады. C. elegans геномдық референс тізбегі жаңа деректер бастапқы тізбектеудегі қателерді анықтағандықтан, өзгерістерді жалғастыруда. Көптеген өзгерістер шағын, тек бірнеше негіз жұбы қосылады немесе алынып тасталады. Мысалы, WormBase-тің WS202 нұсқасы (2009 жылғы сәуір айы) геномдық тізбекке екі негіз жұбын қосты. Кейде, 2008 жылғы желтоқсан айындағы WS197 нұсқасында көрсетілгендей, одан да кең ауқымды өзгерістер енгізіледі, ол тізбекке 4300-ден астам базалық жұп аймағын қосты. C. elegans геномдық жобасының Wilson et al. (1994) еңбегінде CelVav табылды. Осы туысқа жататын басқа нематодалардың геномдық тізбектері, мысалы, C. remanei, C. japonica және C. brenneri (Бреннердің құрметіне аталған) да шұңқырлық тізбектеу әдісімен зерттелді. Бұл тізбектер қазір аяқталды.

The C. elegans genome is about 100 million base pairs long and consists of six pairs of chromosomes in hermaphrodites or five pairs of autosomes with XO chromosome in male C. elegans and a mitochondrial genome. Its gene density is about one gene per five kilo base pairs. Introns make up 26% and intergenic regions 47% of the genome. Many genes are arranged in clusters and how many of these are operons is unclear. C. elegans and other nematodes are among the few eukaryotes currently known to have operons; these include trypanosomes, flatworms (notably the trematode Schistosoma mansoni), and a primitive chordate tunicate Oikopleura dioica. Many more organisms are likely to be shown to have these operons. The genome contains an estimated 20,470 protein coding genes. About 35% of C. elegans genes have human homologs. Remarkably, human genes have been shown repeatedly to replace their C. elegans homologs when introduced into C. elegans. Conversely, many C. elegans genes can function similarly to mammalian genes. and the genome is now believed to contain more than 16,000 RNA genes, up from as few as 1,300 in 2005. Scientific curators continue to appraise the set of known genes; new gene models continue to be added and incorrect ones modified or removed. The reference C. elegans genome sequence continues to change as new evidence reveals errors in the original sequencing. Most changes are minor, adding or removing only a few base pairs of DNA. For example, the WS202 release of WormBase (April 2009) added two base pairs to the genome sequence. Sometimes, more extensive changes are made as noted in the WS197 release of December 2008, which added a region of over 4,300 bp to the sequence. The C. elegans Genome Project's Wilson et al. 1994 found CelVav The genome sequences of more nematodes from the same genus e. g., C. remanei, C. japonica and C. brenneri (named after Brenner), have also been studied using the shotgun sequencing technique. These sequences have now been completed.

Басқа генетикалық зерттеулер

2014 жылдан бастап, филогенетикалық зерттеулерде C. elegans «Elegans» супертобының (17 түр) «Elegans» тобының (10 түр) ең төменгі сатыдағы түрі болып саналады. Ол топтың қалған түрлерінен ерекшеленетін жеке тармақ құрайды. Tc1 транспозоны – C. elegans-та активті ДНК транспозоны.

Ғылыми қауымдастық

2002 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығы Сидней Бреннерге, Х. Роберт Хорвицке және Джон Сулстонға C. elegans ағзасының даму генетикасы және бағдарламаланған жасуша өлімі жөніндегі еңбектері үшін берілді. 2006 жылғы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығы Эндрю Файр мен Крейг С. Меллоға C. elegans-та РНК-ның араласуын ашқандары үшін табысталды. 2008 жылы Мартин Чалфи жасыл флуоресцентті ақуыз жөніндегі жұмысы үшін химия саласындағы Нобель сыйлығын бөлісті; зерттеулердің кейбірі C. elegans-ты пайдаланумен байланысты болды. C. elegans-ты зерттейтін көптеген ғалымдар Сидней Бреннермен тығыз байланыста, оның еңбегімен 1970 жылдары осы саладағы барлық зерттеулер басталды; олар Бреннердің зертханасында немесе оның бұрынғы шәкірттерінің зертханасында докторантурадан кейінгі немесе аспирантурадан кейінгі зерттеуші ретінде жұмыс істеді. Оның зертханасында жұмыс істеген көптеген ғалымдар өздерінің құрттарды зерттеу зертханаларын құрды, осылайша C. elegans ғалымдарының жақсы құжатталған "туыстық жебін" жасады, ол 2003 жылғы Халықаралық құрттар конференциясында WormBase деректер базасына егжей-тегжейлі жазылды.