Caenorhabditis elegans: apaļtārps, modeļorganisms ar pilnībā sekvencētu genomu
Caenorhabditis elegans ir apaļo tārpu jeb nematodu suga, kurai piemīt īpašības, kas padara to par vienu no svarīgākajiem modeļorganismiem bioloģijā. Tā ir svarīga, jo ir veikti daudzi pētījumi par tās ģenētiku un attīstību, un tās caurspīdīgā ķermeņa dēļ pētnieki var tieši novērot šūnu dalīšanos, migrāciju un diferenciāciju dzīvos indivīdos.
Bioloģiskās īpašības un ekoloģija
C. elegans parasti ir aptuveni 1 mm gara. Tārpi nav parazīti, tie ir brīvi dzīvojoši organismi, kas dzīvo augsnē un lapu kūdrā, barojoties ar baktērijām un citiem mikroorganismiem. Ķermenis ir caurspīdīgs, kas ļauj ar mikroskopu sekot katras šūnas attīstībai un līdz ar to padara to īpaši vērtīgu pētījumiem.
Izaugsme, attīstība un dzīves cikls
C. elegans iziet cauri vairākām attīstības stadijām: embrijs, četri kāpuru (larvālie) posmi (L1–L4) un pieaugušais stadijs. Pieaugušais hermafrodīts satur precīzi 959 somatiskās šūnas (izvērtējot bez dzimumšūnām); pieaugušajam hermafrodītam nervu sistēma sastāv no aptuveni 302 neironiem, kas ir labi kartēti. Embrionālā attīstība notiek ātri — 25ºC temperatūrā embriji var attīstīties aptuveni 14 stundās — bet kopējais laiks no olšūnas līdz pieaugušam parasti ir apmēram 2–4 dienas atkarībā no temperatūras (pie 20ºC apmēram 3 dienas). Dzīves ilgums laboratorijas apstākļos ir aptuveni 2–3 nedēļas.
Stresa apstākļos, piemēram, pārtikas trūkuma vai pārblīvējuma gadījumā, C. elegans var nonākt īpašā izturīgā kāpuru stadijā, ko sauc par dauer — šī stadija ļauj ilgāk izdzīvot nelabvēlīgos apstākļos un izplatīties, kad apstākļi uzlabojas.
Dzimumi un reprodukcija
C. elegans ir divu veidu dzimums: hermafrodīts un tēviņš. Hermafrodīts veido spermatozoīdus kāpura stadijā (L4), bet pieauguša īpatņa stadijā tas pāriet uz olšūnu ražošanu, tādējādi nodrošinot gan pašapaugļošanos, gan iespēju apaugļoties ar vīriešiem. Vīrieši var ražot tikai spermatozoīdus un bieži ir nedaudz mazāki par hermafrodītiem. Vīriešu īpatsvars populācijā parasti ir zems (dabā apmēram 0,1 %), taču laboratorijā var tikt palielināts — tas ir svarīgi ģenētiskai krustošanai un pētniecībai.
Genomika, šūnu līnija un neironu karte
C. elegans genomu zinātnieki pilnībā sekvencēja un publicēja 1998. gadā, padarot to par pirmo daudzšūnu organismu ar pilnībā sekvencētu genomu. Genoma izmērs ir aptuveni 100 miljoni bāzes pāru ar apmēram 20 000 protein-coding gēnu, kas ļāva attīstīt plašas ģenētiskās un funkcionālās analīzes. Tā kā katras šūnas attīstības gaita (šūnu līnija) ir izsekojama un reproducējama, C. elegans kalpo par svarīgu modelisistēmu pētījumiem par šūnu diferenciāciju, attīstības biologiju un neironu tīklu funkciju.
Laboratorijas izmantošana un tehnoloģijas
Pētījumus ar C. elegans 1965. gadā sāka Sidnejs Brenners, kurš ierosināja šo sugu izmantot kā modelorganismu. Laboratorijās tās ir viegli uzturēt dzīvas: tās audzējas uz želejveida barotnes (piem., NGM) un barojas ar noteiktām baktērijām (bieži lieto laboratorijā populāru E. coli OP50). C. elegans labo īpašību kopums — īss dzīves cikls, nelielas uzturēšanas prasības, caurspīdīgums, viegla ģenētiskā manipulācija (mutācijas, transgēni, RNAi) un skaitāmi šūnu un neironu tīkli — padara to par ideālu materiālu molekulārajai, neirobioloģiskajai un senescence (novecošanās) izpētei.
- Vērtīgas metodes: ģenētiskās ekrānēšanas metodes, transgēnu ieviešana, mikročuļošana, RNA interference (RNAi), optogenētika.
- Tipiski pētījumu temati: attīstības gēnu funkcijas, programmētā šūnu nāve (apoptoze), neironu tīklu funkcijas, uzvedība, metabolisms un novecošanās.
Atzīšana un nozīmīgi atklājumi
2002. gadā Nobela prēmiju medicīnā saņēma Sidneja Brenere, Roberts Horvics un Džons Saulstons par darbu, kurā viņi noskaidroja, kā C. elegans gēni izraisa tās augšanu un izraisa dažu tās šūnu nāvi — pētījumi, kas būtiski paplašināja izpratni par šūnu likteni un apoptozi daudzšūnu organismos. Turklāt C. elegans bija centrāla arī citos nozīmīgos atklājumos, piemēram, RNA interference atklāšanā, par ko 2006. gadā Nobela prēmiju saņēma Andrew Fire un Craig Mello, — šī metode devusi milzīgu ieguldījumu ģenētikas un funkcionālās genomikas pētījumos.
Kopumā Caenorhabditis elegans ir bijis un joprojām ir neaizvietojams instruments, lai saprastu pamata bioloģiskos procesus, kas ietekmē attīstību, šūnu likteni, neironu darbību un slimību mehānismus arī sarežģītākos organismos.
A apaļā tārpa
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Caenorhabditis elegans?
A: Caenorhabditis elegans ir apaļo tārpu jeb nematodu suga.
J: Kāpēc C. elegans ir svarīgs?
A.: C. elegans ir svarīgs tāpēc, ka ir veikti daudzi pētījumi par tā ģenētiku un attīstību, padarot to par modeļorganismu, ko izmanto dzīvnieku attīstības un uzvedības izpētei. Tas bija arī pirmais daudzšūnu organisms, kuram zinātnieki spēja sekvencēt visu genomu.
J: Cik lielas ir C. elegans tārpenes?
A: C. elegans tārpi ir aptuveni 1 mm gari.
J: Vai tās ir parazīti?
A: Nē, tie ir brīvi dzīvojoši organismi, kas dzīvo augsnē un barojas ar baktērijām.
J: Kāda veida dzimums ir C. elegans?
A: C. elegans ir divi dzimuma veidi - hermafrodīti un tēviņi, turklāt tēviņi ir nedaudz mazāki par hermafrodītiem. Hermafrodīti veido spermatozoīdus kāpura stadijā un olšūnas pieaugušo stadijā, bet tēviņi var veidot tikai spermu.
J: Kas sāka pētījumus, izmantojot C. elegans?
A: Pētījumus, izmantojot C. elegans, 1965. gadā sāka Sidnijs Brenners, kurš vēlāk kopā ar Robertu Horvicu (Robert Horvitz) un Džonu Sulstonu (John Sulston) 2002. gadā saņēma Nobela prēmiju medicīnā par darbu, kurā noskaidroja, kā tārpa gēni izraisa tā augšanu un izraisa dažu tā šūnu nāvi.
Kāpēc tādi dzīvnieki kā C. elegans ir labi organismi pētniecībai?
A: Tādi dzīvnieki kā C. elegans, kas neaug ilgi un ir viegli barojami, parasti ir labi organismi pētniecībai, jo tos var viegli uzturēt dzīvus laboratorijās 25 °C temperatūrā, kur tie 14 stundas pavada kā embrijs.
