Свободноживущая нематода Caenorhabditis elegans

Введение

Свободноживущий вид нематоды

Caenorhabditis elegans (,/s//iː//n//oʊ//r//æ//b/'/d//aɪ//t//ə//s// /'/ɛ//l//ə//ɡ//æ//n//s/) – свободноживущая прозрачная нематода длиной около 1 мм, обитающая в умеренных почвенных средах. Это типовой вид своего рода. Название является сочетанием греческого caeno (недавний), rhabditis (похожий на стержень) и латинского elegans (элегантный). В 1900 году Мопа первоначально назвал его Rhabditides elegans. Оше отнес его к подроду Caenorhabditis в 1952 году, а в 1955 году Догерти возвысил Caenorhabditis до статуса рода. C. elegans – несегментированный псевдоцеломат, лишенный дыхательной и кровеносной систем. Большинство этих нематод – гермафродиты, а некоторые – самцы. Самцы имеют специализированные хвосты для спаривания, включающие в себя шипики. В 1963 году Сидни Бреннер предложил исследовать C. elegans, главным образом в области развития нейронов. В 1974 году он начал исследования молекулярной и биологии развития C. elegans, которая с тех пор широко используется в качестве модельного организма. Это был первый многоклеточный организм, геном которого был полностью секвенирован, и в 2019 году…

Анатомия

C. elegans несегментирован, имеет червеобразную форму и двустороннюю симметрию. У него есть кутикула (прочное внешнее покрытие, как экзоскелет), четыре основных эпидермальных шнура и заполненная жидкостью псевдоцель (полость тела). Он также обладает некоторыми из тех же систем органов, что и более крупные животные. Примерно один из тысячи особей является самцом, а остальные – гермафродиты. Основная анатомия C. elegans включает рот, глотку, кишечник, гонаду и коллагеновую кутикулу. Как и у всех нематод, у них отсутствует как кровеносная, так и дыхательная система. Четыре полосы мышц, проходящие вдоль тела, соединены с нервной системой, которая позволяет мышцам двигать телом животного только в виде дорсального или вентрального изгиба, но не влево или вправо, за исключением головы, где четыре мышечных квадранта связаны независимо друг от друга. Когда волна дорсальных/вентральных мышечных сокращений распространяется от задней части тела к передней, животное движется назад. Когда волна сокращений начинается спереди и распространяется по телу к задней части, животное движется вперед. Из-за этой дорсально-вентральной предрасположенности к изгибам тела, любой нормально живущий и движущийся организм имеет тенденцию лежать либо на левом, либо на правом боку при наблюдении на горизонтальной поверхности. Считается, что ряд гребней на боковых сторонах кутикулы тела, называемых алами, обеспечивает животному дополнительное сцепление во время этих изгибающих движений. В отношении метаболизма липидов, у C. elegans нет специализированных жировых тканей, поджелудочной железы, печени или даже крови для доставки питательных веществ по сравнению с млекопитающими. Нейтральные липиды вместо этого хранятся в кишечнике, эпидермисе и эмбрионах. Эпидермис соответствует жировым клеткам млекопитающих, являясь основным депо триглицеридов. Глотка – это мышечный насос для питания в голове C. elegans, имеющий треугольное поперечное сечение. Она измельчает пищу и транспортирует ее непосредственно в кишечник. Набор "клапанных клеток" соединяет глотку с кишечником, но механизм работы этого клапана не изучен. После переваривания содержимое кишечника выводится через прямую кишку, как и у всех остальных нематод. Прямой связи между глоткой и выделительным каналом не существует, который выполняет функцию выделения жидкой мочи. У самцов есть одна лопастная гонада, семявыносящий проток и хвост, специализированный для спаривания, включающий в себя спикулы. У гермафродитов два яичника, яйцеводы, сперматека и одна матка. В C. elegans содержится 302 нейрона, что составляет примерно треть всех клеток всего тела. Нейроны содержат дендриты, которые отходят от клетки для приема нейротрансмиттеров, и отросток, который тянется к нервному кольцу ("мозгу") для синаптической связи между нейронами. C. elegans имеет двигательные возбуждающие и тормозные нейроны, известные как холинергические и ГАМКергические нейроны, которые служат лишь дополнительной регуляцией для этого крошечного существа. Они не оказывают влияния на нервную систему, кроме регулирования нервных импульсов.

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.

Границы кишечника

В кишечнике *C. elegans* присутствуют многочисленные кишечные гранулы, функции которых до сих пор не полностью выяснены, как и многие другие аспекты этого нематода, несмотря на многолетние исследования. Эти кишечные гранулы встречаются у всех представителей отряда Rhabditida. Они очень похожи на лизосомы, поскольку характеризуются кислым внутренним содержимым и способностью к эндоцитозу, но значительно больше по размеру, что подтверждает предположение об их роли в качестве органелл хранения. Особенностью гранул является то, что при наблюдении в ультрафиолетовом свете они реагируют, излучая интенсивную синюю флуоресценцию. Наблюдается также явление, называемое «флуоресценцией смерти». По мере гибели червей происходит резкий всплеск синей флуоресценции. Эта флуоресценция смерти обычно распространяется по кишечнику в виде волны, движущейся от переднего к заднему концу, и наблюдается как у молодых, так и у старых червей, подвергшихся смертельным повреждениям или умерших от старости естественным путем. Было предложено множество гипотез относительно функций кишечных гранул, но более ранние из них были опровергнуты последующими исследованиями. Считается, что одной из их функций является хранение цинка. Недавний химический анализ показал, что синий флуоресцентный материал, содержащийся в гранулах, представляет собой гликозилированную форму антраниловой кислоты (АА). Целесообразность накопления большого количества АА в многочисленных кишечных гранулах вызывает вопросы. Одна из возможностей заключается в том, что АА обладает антибактериальными свойствами и используется для защиты от вторжения патогенов. Другая возможность состоит в том, что гранулы обеспечивают фотозащиту, преобразуя вредное ультрафиолетовое излучение в относительно безопасный видимый свет, что может быть связано с меланосомами, содержащими меланин.

Размножение

Гермафродитный червь считается специализированной формой самоплодной самки, так как его сома женская. Гермафродитическая зародышевая линия сначала производит мужские гаметы, а затем откладывает яйца через матку после внутреннего оплодотворения. Гермафродиты производят всю свою сперму на стадии L4 (150 сперматозоидов на гонадальный отросток) и затем производят только ооциты. Гермафродитическая гонада функционирует как яйцевик-семенник, при этом сперматозоиды хранятся в той же области гонады, что и ооциты, пока первый ооцит не вытолкнет сперматозоиды в сперматеку (камеру, где ооциты оплодотворяются сперматозоидами). Самцы могут оплодотворить гермафродита, который предпочтительно использует мужскую сперму (оба типа спермы хранятся в сперматеке). Сперма *C. elegans* имеет амебоидную форму, лишена жгутиков и акросом. При самооплодотворении дикий тип червя откладывает около 300 яиц. При оплодотворении самцом количество потомства может превысить 1000 особей. Гермафродиты обычно не спариваются с другими гермафродитами. При 20 °C лабораторная линия *C. elegans* (N2) имеет среднюю продолжительность жизни около 2–3 недель и время генерации 3–4 дня. *C. elegans* имеет пять пар аутосом и одну пару половых хромосом. Пол у *C. elegans* определяется системой определения пола X0. Гермафродиты *C. elegans* имеют парные половые хромосомы (XX), а редкие самцы – только одну половую хромосому (X0).

Определение пола

C. elegans в основном являются гермафродитами, производящими как сперматозоиды, так и яйцеклетки. Самцы встречаются в популяции с частотой примерно 1 на 200 гермафродитов, однако оба пола сильно дифференцированы. Самцы отличаются от гермафродитов меньшим размером и формой хвоста, по которой их можно идентифицировать. У C. elegans соматическое определение пола связано с геном *tra-1*. *tra-1* – это ген в сигнальном пути определения пола, опосредованном транскрипционным фактором TRA-1, который регулируется посттранскрипционно и способствует развитию женских признаков. Поскольку C. elegans используются в качестве модельного организма, любая информация об эволюции их системы определения пола может способствовать исследованиям эволюционной биологии других организмов. После почти 30 лет исследований ученые начали складывать воедино картину эволюции этой системы. Ген *mix-1* известен своей способностью подавлять активность Х-хромосомы и регулировать морфологию хвоста самцов у C. elegans. Рассматривая нематод в целом, можно предположить, что мужской и гермафродитный пол эволюционировали параллельно. Однако гены сперматозоидов на Х-хромосоме демонстрируют замедленные темпы эволюции. Эти гены характеризуются короткими кодирующими последовательностями, высоким кодонным уклоном и непропорциональным представлением среди сиротских генов. Центр организации микротрубочек сперматозоида направляет движение пронуклеуса сперматозоида к будущему заднему полюсу эмбриона, а также инициирует перемещение белков PAR – группы цитоплазматических факторов детерминации – к их соответствующим локализациям. В результате различий в распределении белков PAR, первое деление клетки происходит с высокой степенью асимметрии. Эмбриогенез C. elegans является одним из наиболее хорошо изученных примеров асимметричного деления клеток. Все клетки зародышевой линии происходят из единственной примордиальной зародышевой клетки, называемой клеткой P4, которая формируется на ранних стадиях эмбриогенеза. Эта примордиальная клетка делится, образуя два предшественника зародышевой линии, которые не делятся дальше до вылупления. Через Wnt-сигналинг клетка P2 инструктирует клетку EMS делиться вдоль передне-задней оси. Через Notch-сигналинг клетка P2 дифференцирует клетки ABp и ABa, что дополнительно определяет дорсально-вентральную ось. Лево-правая ось также становится заметной на ранних стадиях эмбриогенеза, хотя точный момент определения этой оси остается неясным. Однако большинство теорий развития L-R оси предполагают наличие каких-либо различий в клетках, происходящих из клетки AB.

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 происходит после того, как эмбрион достигает стадии 24 клеток. C. elegans относится к типу протостомов, поэтому бластопор в конечном итоге формирует рот. Инволюция в бластопор начинается с движения клеток энтодермы и последующего формирования кишечника, затем следует предшественник зародышевой линии P4 и, наконец, клетки мезодермы, включая клетки, которые впоследствии образуют глотку. Гаструляция завершается, когда эпиболия гипобласта закрывает бластопор.

Постэмбриональное развитие

В условиях среды, благоприятных для размножения, вылупившиеся личинки развиваются через четыре личиночные стадии – L1, L2, L3 и L4 – всего за 3 дня при 20 °C. При стрессовых условиях, таких как недостаток пищи, высокая плотность популяции или повышенная температура, C. elegans может войти в альтернативную третью личиночную стадию, L2d, называемую стадией dauer (dauer – немецкое слово, означающее «постоянный»). Вход в стадию dauer регулируется специфическим феромоном dauer. Этот феромон состоит из схожих производных 3,6-дидезоксисахара, аскарилозы. Аскарозиды, названные в честь аскарилозы, участвуют во многих половых и социальных поведенческих реакциях. Таким образом, они формируют химический язык, который C. elegans использует для модуляции различных фенотипов. Личинки dauer устойчивы к стрессу: они тонкие, а их рот закрыт характерной кутикулой dauer и не может принимать пищу. Они могут оставаться в этой стадии несколько месяцев. Стадия завершается, когда условия улучшаются и способствуют дальнейшему росту личинки, которая затем линяет в стадию L4, хотя развитие гонад останавливается на стадии L2. Каждый переход между стадиями сопровождается линькой прозрачной кутикулы червя. Переходы между этими стадиями контролируются генами гетерохронического пути – эволюционно консервативного набора регуляторных факторов. Многие гетерохронические гены кодируют микроРНК, которые подавляют экспрессию гетерохронических факторов транскрипции и других гетерохронических микроРНК. МикроРНК были впервые обнаружены у C. elegans. Важные события развития, контролируемые гетерохроническими генами, включают деление и последующее синцитиальное слияние клеток гиподермального шва, а также их последующую секрецию ал в молодых взрослых организмах. Считается, что гетерохронический путь представляет собой эволюционно консервативного предшественника циркадных часов. У некоторых нематод фиксированное, генетически определенное количество клеток – явление, известное как эутели. Взрослый гермафродит C. elegans имеет 959 соматических клеток, а самец – 1033, хотя предполагается, что количество их кишечных клеток может увеличиваться на один-три в ответ на кишечную микробиоту, с которой сталкиваются матери. В большинстве публикаций число клеток у самцов указывается как 1031, но открытие пары левых и правых нейронов MCM увеличило это число на два в 2015 году.

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.

Использование в качестве образцового организма

В 1963 году Сидни Бреннер предложил использовать *C. elegans* в качестве модельного организма для изучения, в первую очередь, нервного развития у животных. Это один из самых простых организмов, обладающих нервной системой. Нейроны не генерируют потенциалы действия и не экспрессируют вольтаж-зависимые натриевые каналы. У гермафродитов эта система состоит из 302 нейронов, схема организации которых была детально картирована в так называемой коннектоме и показала себя как сеть малого мира. Исследования изучали нейронные и молекулярные механизмы, контролирующие различные виды поведения *C. elegans*, включая химиотаксис, термотаксис, механотрансдукцию, обучение, память и поведение при спаривании. В 2019 году была опубликована коннектома самца, используя технику, отличную от применявшейся для гермафродитов. В той же работе новый метод был использован для повторного создания коннектомы гермафродита, в результате чего было обнаружено 1500 новых синапсов. *C. elegans* также используется в качестве модельного организма для изучения молекулярных механизмов метаболических заболеваний. Бреннер выбрал его также из-за простоты выращивания в больших популяциях и удобства для генетического анализа. Это многоклеточный эукариотический организм, но при этом достаточно простой для детального изучения. Прозрачность *C. elegans* облегчает изучение клеточной дифференцировки и других процессов развития в цельном организме. Наличие спикул у самцов позволяет четко различать самцов и самок. Штаммы недороги в разведении и могут быть заморожены. После размораживания они сохраняют жизнеспособность, что обеспечивает возможность длительного хранения. Использование OP50 не требует особых мер безопасности в лаборатории, поскольку это непатогенный микроорганизм, который легко культивируется в среде Luria Bertani (LB) в течение ночи.

Картография клеточной линии

Судьба развития каждой отдельной соматической клетки (959 у взрослого гермафродита; 1031 у взрослого самца) была картирована. Эти схемы клеточного происхождения в значительной степени неизменны между особями, в то время как у млекопитающих развитие клеток в большей степени зависит от клеточных сигналов, поступающих от эмбриона. Как упоминалось ранее, первые деления клеток раннего эмбриогенеза у C. elegans являются одними из наиболее хорошо изученных примеров асимметричного деления клеток, и этот червь является очень популярной модельной системой для изучения биологии развития.

РНК-интерференция и глушение генов

РНК-интерференция (РНКi) – относительно простой метод подавления функции специфических генов. Отключение функции гена иногда позволяет исследователю предположить его возможную роль. Нематод можно обрабатывать, вводить им посредством инъекций или кормить генетически модифицированными бактериями, экспрессирующими двухцепочечную РНК интересующего гена, последовательность которой комплементарна последовательности гена, который исследователь желает инактивировать. РНКi стала мощным инструментом в изучении функциональной геномики. C. elegans использовался для анализа функций генов и демонстрирует потенциал для будущих открытий в области систематических генетических взаимодействий. Поглощение РНКi из окружающей среды значительно хуже у других видов червей рода Caenorhabditis. Хотя инъекция РНК в полость тела животного индуцирует подавление генов у большинства видов, только C. elegans и несколько других отдалённо родственных нематод способны поглощать РНК из потребляемых бактерий для осуществления РНКi. Эта способность связана с одним геном, sid 2, который, при введении в качестве трансгена в другие виды, позволяет им поглощать РНК для РНКi, подобно C. elegans.

Клеточное деление и клеточный цикл

Исследования мейоза значительно упростились, поскольку каждое ядро зародышевой клетки находится в одной и той же позиции по мере продвижения по половой железе, и, следовательно, находится на одной и той же стадии мейоза. На ранней фазе мейоза ооциты становятся крайне устойчивыми к радиации, и эта устойчивость зависит от экспрессии генов rad51 и atm, играющих ключевую роль в рекомбинационном восстановлении. Ген mre11 также играет важную роль в рекомбинационном восстановлении повреждений ДНК во время мейоза. Исследование частоты перекрестного опыления в природных популяциях показало, что самооплодотворение является преобладающим способом размножения у C. elegans, однако редкие случаи перекрестного опыления происходят с частотой около 1%. Мейозы, приводящие к самооплодотворению, вряд ли внесут значительный вклад в полезную генетическую изменчивость, но эти мейозы могут обеспечивать адаптивное преимущество в виде рекомбинационного восстановления повреждений ДНК, которые возникают, особенно в стрессовых условиях.

Наркомания и наркомания

Никотиновая зависимость также может быть изучена на модельном организме C. elegans, поскольку он демонстрирует поведенческие реакции на никотин, аналогичные наблюдаемым у млекопитающих. Эти реакции включают в себя острую реакцию, развитие толерантности, синдром отмены и сенсибилизацию.

Биологические базы данных

Что касается большинства модельных организмов, ученые, работающие в этой области, ведут специализированную онлайн-базу данных, и WormBase является такой базой для *C. elegans*. WormBase стремится собрать всю опубликованную информацию о *C. elegans* и других близкородственных нематодах. На их веб-сайте объявлена награда в 4000 долларов США за обнаружение нового вида тесно связанной нематоды. Такое открытие расширит возможности исследований с использованием этого червя.

Старение

C. elegans является модельной системой для изучения старения; например, было показано, что ингибирование сигнального пути инсулиноподобного фактора роста увеличивает продолжительность жизни взрослой особи в три раза, в то время как питание глюкозой способствует окислительному стрессу и сокращает продолжительность жизни взрослой особи вдвое. Долгоживущие мутанты C. elegans оказались устойчивыми к окислительному стрессу и УФ-излучению. Эти мутанты обладали более высокой способностью к восстановлению ДНК, чем дикий тип C. elegans. У C. elegans, подвергшихся воздействию 5 мМ хлорида лития (LiCl), наблюдалось увеличение продолжительности жизни. При воздействии 10 мкМ LiCl отмечалось снижение смертности, но не при 1 мкМ. C. elegans сыграла важную роль в идентификации функций генов, связанных с болезнью Альцгеймера, таких как пресенилин. Кроме того, обширные исследования на C. elegans выявили белки, связывающие РНК, как важные факторы в развитии зародышевой линии и на ранних стадиях эмбрионального развития. Теломеры, длина которых, как было показано, коррелирует с увеличением продолжительности жизни и замедлением старения у множества организмов, от C. elegans до человека, проявляют интересное поведение у C. elegans. В то время как C. elegans поддерживает свои теломеры каноническим путем, аналогично другим эукариотам, в отличие от Drosophila melanogaster, примечательно, что последний использует ретротранспозоны для поддержания своих теломер. Во время нокаута каталитического субъединицы теломеразы (trt-1) C. elegans может приобрести способность к альтернативному удлинению теломер (ALT). C. elegans стал первым эукариотом, получившим функциональность ALT после нокаута канонического пути теломеразы. ALT также наблюдается примерно в 10-15% всех клинических случаев рака. Таким образом, C. elegans является перспективным объектом для исследований ALT. Bayat и соавторы показали парадоксальное укорочение теломер при сверхэкспрессии trt-1, что привело к почти полной стерильности, в то время как черви даже продемонстрировали небольшое увеличение продолжительности жизни, несмотря на укороченные теломеры.

Спать .

C. elegans известен в исследованиях сна животных как наиболее примитивный организм, проявляющий состояния, подобные сну. У C. elegans фаза летаргии возникает незадолго до каждой линьки. Также было показано, что C. elegans переходит в состояние сна после воздействия физического стресса, такого как тепловой шок, ультрафиолетовое излучение и бактериальные токсины.

Сенсорная биология

Хотя у червя нет глаз, было обнаружено, что он чувствителен к свету благодаря третьему типу светочувствительного белка-фоторецептора животного, LITE 1, который поглощает свет в 10-100 раз эффективнее, чем два других типа фотопигментов (опсины и криптохромы), встречающихся в животном мире. C. elegans удивительно хорошо переносит ускорение. По данным генетиков из Университета Сан-Паулу в Бразилии, он способен выдерживать ускорение в 400 000 g. В ходе эксперимента 96% червей оставались живыми без каких-либо негативных последствий после часа, проведенного в ультрацентрифуге.

Исследования космических полетов

C. elegans привлек внимание, когда были обнаружены экземпляры, пережившие катастрофу космического шаттла "Колумбия" в феврале 2003 года. Позже, в январе 2009 года, живые образцы C. elegans из Университета Ноттингема должны были провести две недели на Международной космической станции в октябре того же года в рамках космического исследовательского проекта, посвященного изучению влияния невесомости на развитие и физиологию мышц. Исследование было в основном направлено на генетические основы атрофии мышц, которая связана с космическими полетами, длительным постельным режимом, возрастом или диабетом. Потомки червей, выживших на борту "Колумбии" в 2003 году, были отправлены в космос на "Эндевор" в рамках миссии STS-134. Дополнительные эксперименты по изучению мышечной дистрофии в условиях космического полета проводились на борту МКС, начиная с 2018 года. Было показано, что гены, отвечающие за прикрепление мышц, проявляли меньшую активность в космосе. Однако, пока неясно, влияет ли это на силу мышц.

Геном

C. elegans стал первым многоклеточным организмом, геном которого был полностью секвенирован. Последовательность была опубликована в 1998 году, хотя присутствовали некоторые небольшие разрывы; последний разрыв был устранен к октябрю 2002 года. В процессе работы над полным геномом Консорциум по секвенированию C. elegans / Проект генома C. elegans опубликовал несколько предварительных версий, включая работу Wilson et al. 1994 года.

Размер и содержание генов

Геном *C. elegans* составляет около 100 миллионов пар оснований и состоит из шести пар хромосом у гермафродитов или пяти пар аутосом с XO-хромосомой у самцов *C. elegans* и митохондриального генома. Его генная плотность составляет примерно один ген на пять килобаз. Интроны составляют 26%, а межгенные области – 47% генома. Многие гены расположены в кластерах, и неясно, сколько из них являются оперонами. *C. elegans* и другие нематоды – одни из немногих эукариот, у которых, как известно, есть опероны; к ним относятся трипаносомы, плоские черви (в частности, трематода *Schistosoma mansoni*) и примитивный хордовый туникат *Oikopleura dioica*. Вероятно, будет показано, что многие другие организмы также имеют эти опероны. Геном содержит около 20 470 генов, кодирующих белки. Примерно 35% генов *C. elegans* имеют человеческие гомологи. Примечательно, что человеческие гены неоднократно замещали их гомологи *C. elegans* при введении в *C. elegans*. В то же время, многие гены *C. elegans* могут функционировать аналогично генам млекопитающих. В настоящее время считается, что геном содержит более 16 000 генов РНК, по сравнению с примерно 1300 в 2005 году. Научные кураторы продолжают оценивать набор известных генов; новые модели генов постоянно добавляются, а ошибочные – модифицируются или удаляются. Референсная последовательность генома *C. elegans* продолжает изменяться по мере выявления ошибок в исходном секвенировании. Большинство изменений незначительны и добавляют или удаляют лишь несколько пар оснований ДНК. Например, выпуск WS202 WormBase (апрель 2009 года) добавил две пары оснований к последовательности генома. Иногда вносятся более существенные изменения, как, например, в выпуске WS197 (декабрь 2008 года), в котором к последовательности был добавлен регион длиной более 4300 п.н. В работе Wilson et al. 1994, выполненной в рамках Проекта генома *C. elegans*, был обнаружен ген CelVav. Также с использованием метода секвенирования дробовиком были изучены геномы других нематод того же рода, например, *C. remanei*, *C. japonica* и *C. brenneri* (названной в честь Бреннера). Эти последовательности были завершены.

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.

Другие генетические исследования

По состоянию на 2014 год C. elegans является самым базальным видом в группе "Elegans" (10 видов) супергруппы "Elegans" (17 видов) согласно филогенетическим исследованиям. Он формирует отдельную ветвь, не имеющую близкого родства ни с одним другим видом этой группы. Транспозон Tc1 – это ДНК-транспозон, активный в C. elegans.

Научное сообщество

В 2002 году Нобелевская премия по физиологии или медицине была присуждена Сиднею Бреннеру, Х. Роберту Хорвицу и Джону Сулстону за их работы в области генетики развития органов и запрограммированной клеточной гибели на примере *C. elegans*. Нобелевская премия 2006 года по физиологии или медицине была присуждена Эндрю Файру и Крейгу Си Мелло за открытие феномена интерференции РНК на *C. elegans*. В 2008 году Мартин Чалфи разделил Нобелевскую премию по химии за работы над зеленым флуоресцентным белком; в некоторых из этих исследований использовался *C. elegans*. Многие ученые, занимающиеся изучением *C. elegans*, тесно связаны с Сиднеем Бреннером, с чьих работ в 1970-х годах практически началось все исследование этой области; они работали либо в качестве постдоков, либо в качестве аспирантов в лаборатории Бреннера или в лаборатории тех, кто ранее работал с Бреннером. Большинство из тех, кто работал в его лаборатории, впоследствии основали собственные лаборатории по исследованию нематод, сформировав тем самым достаточно хорошо задокументированную "родословную" исследователей *C. elegans*, которая была подробно описана в базе данных WormBase на Международной конференции по нематодам в 2003 году.