Министерства здравоохранения Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный медицинский университет»
Направление подготовки «Биология»
Нематода (Caenorhabditis elegans) как модельный объект в биологии и генетике
Nematode (caenorhabditis elegans) as a model object in biology and genetics
Сабиров Д. Х., Авдеев С. В.,
Ершова А. П., Лукина П. А.
Волгоград, Россия
Caenorhabditis elegans -- это небольшие, свободноживущие нематоды около 1-1.5 мм в длину, которые могут быть найдены в умеренных почвенных средах, питаются различными бактериями, включая кишечную палочку. С. elegans был мощным экспериментальным объектом на протяжении почти полувека. Сидней Бреннер впервые использовал нематод как генетический модельный организм в 1965 году для анализа развития и поведения. За эту работу Бреннеру и его коллегам в 2002 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. За прошедший период, С. elegans был использована в качестве модели для изучения широкого спектра биологических явлений, и, следовательно, есть огромное количество генотипических и фенотипических данных, доступных для исследователей. нематода противораковый иммунный ген
Это привело к нескольким прорывам в биомедицинской науке, которые включают открытие генетических регуляторов запрограммированной смерти клеток, использования зеленого флуоресцентного белка в качестве белкового маркера и открытие РНК-интерференции. Действительно, эта нематода сочетает в себе ряд характеристик, которые делают её выгодной моделью, анатомически и генетически. Кроме того, характеристики этого беспозвоночного делают его легкой экспериментальной моделью для того, чтобы изучать биологические процессы в относительно дешевом, быстром, и легком пути.
Интересно, что хотя нематоды и люди разделены почти миллиардом лет эволюции, гомологи C. elegans были идентифицированы для 60-80% человеческих генов и многих биологических процессов, включая апоптоз, клеточную сигнализацию, клеточный цикл, полярность клеток, метаболизм, и старение. Кроме того, легкость, с которой может быть применена прямая и обратная генетика, привела к уточнению генетической диссекции путей, которые регулируют развитие и старение. В совокупности эти особенности делают C. elegans идеальной моделью, позволяющей систематически подходить к выяснению генов и путей, связанных с различными патологиями, включая нейродегенерацию и рак.
С. elegans существует в 2 половых формах, как гермафродит или как мужская особь. Первая - самородная, способная производить свою собственную сперму и яйца и является преобладающей взрослой формой. Хотя самцы встречаются редко (около 0,02%), их обилие в потомстве может быть увеличена до 50% на совокупление с гермафродитами. Продолжительность жизненного цикла дикого типа С. elegans и срок жизнедеятельности зависит от роста температуры. Выращенные при 20 °С, гермафродиты, откладывают обычно 300-350 яиц и после того, как вылупятся, они в течении трех дней развиваются от личинки до взрослой. Средняя продолжительность жизни этого организма может варьироваться от 18 до 20 дней. При более высоких температурах жизненный цикл сокращается, а продолжительность жизни снижается. Одно из основных преимуществ С. elegans - это хорошо расчлененная и предопределенная анатомия. Взрослый гермафродит имеет ровно 959 соматических клеток и 302 нейронов. Кроме того, С. elegans был первым многоклеточным организмом, чей полный геном был секвенирован, и это дало повод к нескольким базам данных и ресурсов, которые в настоящее время доступны для научного сообщества.
С. elegans используется как модель в биологии из-за его удобных особенностей. Его прозрачность позволяет трансгенным белкам сливаться с флуоресцентными маркерами и быть видимыми in vivo. Время генерации короткое (4 дня), и она происходит путем самооплодотворения.
Его отличная производительность в качестве модели в генетики привела к развитию множество инструментов и ресурсов, включая тысячи охарактеризованных мутантов и РНК интерференционных библиотек, полезных для глушения экспрессии генов. РНК-интерференция (RNAi) с этим организмом относительно проста, и, следовательно, явление подавления экспрессии генов часто используется для передачи сигналов пути.
C. elegans восприимчив к широкому спектру бактериальных и грибковых патогенов, которые различаются по механизмам и скорости инфицирования высших позвоночных. Легкость культуры и генетическая пластичность C. elegans делает ее привлекательной моделью для высокопроизводительного скрининга, как для выявления аттенуированных, так и гипервирулентных штаммов, и в качестве первой стадии для тестирования новых фармацевтических соединений. Однако применение модели C. elegans к болезням человека имеет значительные ограничения, которые необходимо признать. Хотя существует некоторое сохранение механизмов патогенеза между C. elegans и высшими позвоночными, между ними есть огромные различия. Критический механизм вирулентности у хозяев млекопитающих заключается в том, что эти патогены становятся интернализованными, а затем распространяются по всему организму, тогда как у C. elegans большинство инфекций, изученных до сих пор, не приводят к внутриклеточной колонизации или распространению, которое имеет решающее значение для наиболее серьезных человеческих инфекций.
Далее, существуют существенные различия между профилями иммунитета C. elegans и высших позвоночных. Отсутствие клеточноопосредованного иммунитета у C. elegans делает его зависимым от секреции противомикробных пептидов для противодействия патогенной атаке. С другой стороны, более высокие позвоночные обладают как более сложной врожденной системой, так и дополнительной, высокоспециализированной адаптивной системой, которые вместе обеспечивают большую универсальность в иммунном ответе. Тем не менее, существует некоторое сохранение в путях, которые контролируют иммунный ответ у обоих животных; потому что ответ позвоночных, вероятно, произошел от общего предшественника до примитивного C. elegans. В ответах, по-прежнему существуют большие несоответствия. Одним из примеров является Tollподобный рецепторный путь, который представляет собой значительный рычаг врожденного иммунитета, который был впервые идентифицирован у Drosophila. В иммунном ответе позвоночных он играет фундаментальную роль, и все же его функция у C. elegans еще не полностью понята.
Исследования C. elegans предоставили ценную информацию, которая выходит за рамки обычного понимания и способствовала нынешнему пониманию сложных молекулярных и клеточных механизмов. В дополнении к знаниям, полученным из такого подхода, нематоды C. elegans также может быть использована в качестве модели для высокопроизводительного противоракового скрининга лекарств во всем животном контексте без ограничений этических границ. Эффективность и неблагоприятные эффекты препарата можно быстро и легко оценить у простой, но хорошо охарактеризованной C. elegans, как недавно продемонстрировали противораковые агенты.
Список использованной литературы
1. Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2007). Molecular Biology of the Cell (5th ed.).
2. Kamath R, Ahringer J (2003) Genome-wide RNAi screening in Caenorhabditis elegans . Methods 30(4):313-321
3. Brenner, S. (1974). The Genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics 77: 71-94.
4. Clare JJ, Tate SN, Nobbs M, Romanos MA (November 2000). "Voltagegated sodium channels as therapeutic targets". Drug Discovery Today. 5
(11): 506-520.
5. Schafer WR (September 2005). "Deciphering the neural and molecular mechanisms of C. elegans behavior". Current Biology. 15 (17): R723-9