秀丽隐杆线虫

秀丽隐杆线虫

独立生存的线虫
秀丽隐杆线虫(学名:Caenorhabditis elegans),是一种可以独立生存的线虫,长度约1mm,生活在温度恒定的环境。秀丽隐杆线虫具有极高的科学研究价值,常被作为分子生物学和发育生物学研究领域的模式生物。
    中文名: 拉丁学名: 别名: 界:动物界 门:线虫动物门 亚门: 纲:胞管肾纲 亚纲: 目:小杆目 亚目: 科:小杆科 亚科: 族: 属:隐杆线虫属 亚属: 种:秀丽隐杆线虫 亚种: 分布区域: 命名者及年代: 保护级别: 中文学名:秀丽隠杆线虫 英文名:Caenorhabditis elegans 二名法:Caenorhabditis elegans

生物学特征

形态特征

秀丽隠杆线虫的形态为蠕虫状、两侧对称,体表有一层角质层覆盖物,无分节,有四条主要的表皮索状组织(epidermal cord)及一个充满体液的假体腔(pseudocoelom)。这一科的成员大都有与其他动物相同的器官组织。

秀丽隠杆线虫有雄性及雌雄同体两种性别,其基本解剖构造包括一个口、咽、肠、性腺,及胶原蛋白角质层。雄性有个单叶的性腺、输精管及一个特化为交配用的尾部。雌雄同体有两个卵巢、输卵管、藏精器,及单一的一个子宫。

细胞学特性

从研究的角度来看,秀丽隠杆线虫的优势在于为一种多细胞真核生物,又够简单到可以被详细研究。秀丽隠杆线虫每一个体细胞(雌雄同体成虫有959个;雄成虫有1031个)的发展命运都已被确立。这个细胞世系的规律在各个个体之间是几乎不变的。两种性别的个体,都有许多多出的细胞(雌雄同体131个,大部分原本将成为神经元)会经由细胞凋亡的过程被除去。

野生型秀丽隠杆线虫雌雄同体,每一细胞之细胞核均被染色显示。除此之外,秀丽隠杆线虫还是神经系统最简单的生物之一。在雌雄同体中,总共有302个神经元,其连结形式也已完全被建立出来,且被证实为一小世界网络。更多研究探索了与秀丽隠杆线虫的一些特殊行为有密切关连的神经机制,包括化学趋向性、趋温性,以及雄性交配行为。

2002年,诺贝尔生理医学奖颁发给了Sydney Brenner与H. Robert Horvitz和John Sulston,以表扬他们对了解秀丽隠杆线虫细胞死亡程序及器官发育遗传学的贡献。

生命周期

秀丽隠杆线虫基本的生命周期如下:秀丽隠杆线虫由雌雄同体产下卵。卵在孵化后,会经历四个幼虫期(L1-L4)。当族群拥挤或食物不足时,秀丽隠杆线虫会进入另一种幼虫期,叫做dauer幼虫。Dauer能对抗逆境,而且不会老化。雌雄同体在L4期生产精子、并在成虫期产卵。雄性能使雌雄同体受精;雌雄同体会优先选择雄性的精子。

秀丽隠杆线虫在实验室中20°C的情况下,平均寿命约为二、三周,而发育时间只须几天。

胚胎期

胚胎发生可以大致分成两个时期:增殖期和器官与型态形成期。在增值期受精卵会从一个细胞逐渐增殖成大约550个必要的未分化细胞,而增殖期又可以分为两个阶段,其中一个阶段是在母体内进行(在22°C的生长环境下约为受精后0-150分钟),这个阶段分裂出较少的创始者细胞,在增殖期结束时,胚胎形成一个含有三胚层的球型构造,这三个胚层分别是外胚层(之后分化生成皮下组织和神经系统)、中胚层(未来产生咽部和肌肉系统)和内胚层(以后生成生殖腺和肠道)。

而另一个阶段则进行大量的细胞分裂和原肠形成(在22°C的生长环境下约为受精后150-350分钟),这个阶段持续到胚胎进入器官与型态形成期。

型态形成期

在22°C的生长环境下约为受精后的5.5-5.6小时到12-14小时,胚胎会增长约三倍并形成完全分化的组织和器官,根据胚胎内观察到的虫体折叠数可以分为comma stage、1.5折叠期、2折叠期、3折叠期以及4折叠期。第一次的肌肉抽动在受精后430分钟可以被观察到(约为1.5折叠或2折叠期);

而在受精后约510分钟不同性别可以观察到发育差异(雌雄间性胚胎的头部伴护神经(cephalic companion neurons)死亡,雄性胚胎的雌雄间性特有神经(hermaphrodite-specific neurons)死亡),而在3折叠期的晚期;虫体运动神经系统已发育且可以在蛋里头顺着其长轴进行移动;而在4折叠期时(第一次细胞分裂后760分钟)胚胎的咽部开始进行收缩抽动;而在第一次细胞分裂后800分钟由蛋中孵化。

幼虫期(后胚胎发育期)

后胚胎发育期由孵化后有食物提供刺激下启动,在有食物的情况下,细胞分裂持续且后胚胎发育开始于孵化后的三个小时,一般而言秀丽隐杆线虫经历四个阶段的幼虫期(L1、L2、L3、L4)后变成成体,许多在胚胎期即设置好的胚细胞于这四个阶段的幼虫期以时间及空间规划几乎不变的模式进行分裂,而这也给予了秀丽隐杆线虫固定数量细胞以及命定的细胞命运。

而在胚胎期所产生的671个细胞核中,其中有113个细胞会在后胚胎发育的过程会进行计划性细胞凋亡,而剩下的558个细胞中只有百分之十的细胞(雌雄间性有51个细胞,雄性有55个细胞)是胚细胞且可以再进一步进行分裂。

倘若胚胎孵化后没有食物的供应,这些刚孵化的幼虫会停止继续发育并停留在这个阶段直到有食物提供为止,这些停止继续发育的幼虫细胞会停留在细胞周期的G1期(停止生长)且无法进行分裂,这些停止继续发育的幼虫在没有食物供应的情况下约可存活六到十天。

在L2幼虫期的末期,如果环境状况不适合继续生长的话,秀丽隐杆线虫的幼虫可能会进入dauer幼虫阶段,这些不适合生长的环境状况包括受到环境费洛蒙影响、食物匮乏、高温等,会促使幼虫进入L2d的幼虫阶段,这个阶段幼虫同时具有可以继续进入L3幼虫期或dauer幼虫期的潜力,若环境逆境太强则进入dauer,若环境转好则进入L3幼虫期,而dauer期为一个不会衰老的状态,因为dauer期的长短并不会影响dauer期后的虫体寿命。在取得食物供应后的一个小时内,dauer幼虫脱离dauer,二到三个小时之后开始进食,最后在十个小时后会蜕皮进入L4幼虫期。

成虫期

在22°C到25°C的环境下,大概在孵化后的45-50小时就会变成成熟的雌雄间性并产下他的第一个卵,成体雌雄间性大约可以产生四天的卵细胞,在这段具有生殖力期间后的三到四天,成体会另外再存活十到十五天,自体受精的雌雄间性会产生大约300个后代(因为精子的数目是有限的),但是如果和雄性交配的话,雌雄间性会优先采用雄性的精子,此时后代数目可以增加到1200-1400个。雄性则在最后一次幼虫蜕皮后的六天具有和雌雄间性交配的能力,且大概可以产生3000个后代。

科学价值

1、秀丽隠杆线虫以微生物为食,如大肠杆菌(Escherichia coli),易于大量培养,每只成虫在生命周期里可产生约300只后代,适合作遗传学研究。

2、培养秀丽隐杆线虫成本低,在实验室中容易掌控,并且可以在不用时冷冻,解冻之后仍能存活,因此适合长时间储存。

3、秀丽隐杆线虫身体透明,在研究细胞分化及其他发育过程方面特别有贡献。每个体细胞如何发育都有详细的纪录,其细胞发育的命运在个体之间差异不大。秀丽隠杆线虫是第一个基因体完全被定序的多细胞生物。完成的基因体序列于1998年发表,虽然一小部分尚有缺失(该缺失最后于2002年十月完成)。

秀丽隠杆线虫的基因体序列大约有一亿个碱基对,内含一万九千个以上的基因。在2003年,亲缘关系相近的线虫C. briggsae的基因体也被完整定序,使得研究人员得以相比对这两种生物的基因体。秀丽隠杆线虫有五对体染色体和一对性染色体。 

4、秀丽隐杆线虫神经系统相对简单,于雌雄同体之中,有302个神经元,约7000个突触。悉尼·布伦纳等人将秀丽隐杆线虫续列纵切,利用电子显微镜得到的影像,重建其神经系统,并在1986年发表雌雄同体各个神经元之间如何连结,成为世界上第一个,也是目前唯一的神经网络体(英语:connectome)。2012年雄性的身体后部神经系统也被重建,助于科学家了解交配行为所需的神经系统结构。许多神经生物学家在此之后,利用秀丽隐杆线虫做为模式生物,来了解其如何产生趋化性,趋温性,力传导及交配行为。

实验研究

秀丽隐杆线虫用于生物实验材料倍受科学家们的关注。进入21世纪以来,已经有六位科学家利用秀丽隐杆线虫为实验材料揭开了生命科学领域的重大秘密而获得了诺贝尔奖。

自1965年起,科学家悉尼·布伦纳利用线虫作为分子生物学和发育生物学研究领域的模式生物。1974年悉尼·布伦纳提出以秀丽隐杆线虫做为模式生物,以研究发育生物学及神经科学的重要课题。

太空研究

2003年2月,在哥伦比亚号航天飞机的爆炸事故中,部分秀丽隠杆线虫的标本存活下来,立即成为新闻的焦点。

2009年11月17日,美国宇航局的“阿特兰蒂斯号”航天飞机将百万秀丽隐杆线虫送入了太空,旨在帮助诺丁汉大学的专家进一步了解什么因素引起人体肌肉增强和萎缩。在空间站上,这些线虫将经历导致宇航员肌肉出现戏剧性萎缩的无重力状态。

瑟奇亚克将为其中一些秀丽隐杆线虫注入一种名为“RNAi”的物质,这种物质能够帮助降低肌肉消耗,它们的目的地空间站距离地球大约200英里(约合322公里)。为了这次飞行,这些精挑细选的线虫已进入一种睡眠状态。它们被放入特制的细胞培养袋并进入太空,而后在食物的帮助下从睡眠中苏醒过来。进入太空之后,它们将暴露在零重力环境下,时间为4天,而后接受冷冻,为重返地球做准备。回到诺丁汉大学的实验室之后,科学家将对此次太空飞行对肌肉质量产生何种影响进行分析。

基因改造试验

新浪科技讯 北京时间12月17日消息,据国外媒体报道,科学家认为,如果延长蠕虫生命的科学应用到人类身上,我们活到500岁就不会只是一个梦想。美国研究人员稍稍调整了一下实验室蠕虫——秀丽隐杆线虫的两个基因通路,便使这种动物的寿命延长了5倍。他们表示,这项研究通过遗传相互作用得出的结果,让抗衰老疗法出现了令人期待的美好前景。

2013年12月17日,美国研究人员调整了实验室蠕虫——秀丽隐杆线虫的两个基因通路,使这种动物的寿命延长了5倍。他们表示,这项研究通过遗传相互作用得出的结果,让抗衰老疗法出现了令人期待的美好前景。这两个基因突变启动延长寿命的特定组织的正反馈循环。从根本上说,这些蠕虫可以活到相当于400到500年的人类的寿命。

在研究中,科学家抑制影响胰岛素活性和营养信号通路——雷帕霉素标靶的关键分子。雷帕霉素标靶通路的单一基因突变使秀丽隐杆线虫寿命延长30%,但胰岛素信号传递突变使它们的寿命增加一倍。如果同时使用这两个方面,它们的寿命可能延长130%,但它们结合起来的效果更大。

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