秀丽隐杆线虫

秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans,C. elegans)是一种可以独立生存的线虫(roundworm),长度约1mm,生活在温度恒定的环境。自1965年起,科学家Sydney Brenner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(animal model)。
生物学特征
C. elegans呈蠕虫状(vermiform)、两侧对称(bilateral symmetry),体表有一层角质层(cuticle)覆盖物,无分节(segmentation),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),以微生物(microorganism)为食,如埃希氏大肠杆菌(Escherichia coli)。
C. elegans基本解剖构造包括一个口、咽、肠、性腺,及胶原蛋白角质层(collagenous cuticle)。有雄性及雌雄同体(hermaphrodite)两种性别,雄性有一个单叶性腺(single-lobed gonad),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,及单一子宫。绝大多数个体为雌雄同体,雄性仅占0.05%。
生命周期:雌雄同体个体产卵孵化后,经历四个幼虫期(L1-L4)。当族群拥挤或食物不足时,C. elegans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。雌雄同体个体在L4期生产精子、并在成虫期产卵。而雄性也能使雌雄同体受精,雌雄同体会优先选择雄性的精子。在实验室20 °C的环境下,C. elegans平均寿命为二、三周,而发育一个世代仅约为4天。
C. elegans有五对常染色体(autosome)和一对性染色体(sex chromsome)。是一个染色体数很少的二倍体。
细胞学特征
C. elegans做为一种典范生物(model organism)被大量应用于现代发育生物学,遗传学,基因组学的研究中。C. elegans在研究细胞分化(cellular differentiation)方面特别有贡献,而且是第一个基因组(genome)完全被定序(sequencing)的多细胞生物。其基因组很小,仅有8×107bp,为人类基因组的3%,约有13,500个基因。且C.elegans与原核相似,有25%左右的基因产生多顺反子mRNA(PolycistronicmRNA),此和它们通过反式剪接使下游基因的到表达有关。C. elegans大部分是XX型的雌雄同体个体(hermaphrodites)大约每500个蠕虫有1个是XO 型的雄体,此是染色体不分离的结果。
C. elegans的优势在于为一种多细胞(multicellular)真核生物(eukaryote)。雌雄同体成虫有959个体细胞;雄成虫有1031个。且每一个体细胞(somatic cell)()的发育情况都研究得较为清楚。这个细胞世系(cell lineage)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,大部分原本会成为神经元)将经由细胞凋亡(apoptosis)的过程被除去。
除此之外,C. elegans还是有最简单的神经系统(nervous system)的生物之一。在雌雄同体中,总共有302个神经元(neuron),其连结形式也已完全被建立出来(small-world network)。更多研究探索了与C. elegans的一些特殊行为有密切关连的神经机制,包括趋化性(chemotaxis)、趋温性(thermotaxis),以及雄性交配行为。
在2002年,诺贝尔生理医学奖(Nobel Prize)颁发给Sydney Brenner、H. Robert Horvitz和John Sulston以表扬他们通过对C. elegans的研究揭示细胞的程序性死亡(programmed cell death, PCD)机制,及器官发育遗传学的贡献。
外太空实验的模式动物哥伦比亚号空难幸存者秀丽隐杆线虫曾在2003年成为媒体关注焦点,当时它们在“哥伦比亚”号空难中幸存下来。重返地球时,这些线虫被放入密封在铝罐内的培养皿。在航天飞机残骸坠地后几周,工作人员发现了这些幸存者。

肌肉萎缩研究的模式动物
美国宇航局的“阿特兰蒂斯号”航天飞机于2009年11月17日凌晨顺利升空,任务是把零部件送入国际空间站和搭载百万秀丽隐杆线虫。
秀丽隐杆线虫只有在显微镜下才能看到,是用于研究人体生理出现的长期变化的最完美替代物,原因在于:它们在很多相同条件下也和人类一样出现肌肉萎缩现象。肌肉萎缩是宇航员担心的主要健康问题之一。除了肌肉萎缩外,这项研究还将帮助科学家更多地了解零重力状态如何影响卧床不起的人,卧床不起主要由肌肉萎缩症、糖尿病、外伤和衰老所致。因此,这些线虫这次成为太空游客,目的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,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。
诺丁汉大学位于德比的临床医学研究所的纳撒尼尔·瑟奇亚克博士,多年来对控制肌肉蛋白降解的信号进行研究,他的研究工作主要是围绕从英国布里斯托尔垃圾堆填区发现并收集的秀丽隐杆线虫展开的。
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。这位正与日本东北大学Atsushi Higashitani教授合作的博士说:“我们能够了解到在地球上无法了解的东西。如果能够找到何种因素导致人体在太空中以确定的方式作出反应,我们就能为在地球上进行的相关研究找到新的道路。”
瑟奇亚克的研究员蒂姆·伊瑟里奇负责帮助这些线虫事先为此次飞行做好了准备,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。