Informatie

Hoeveel cellen heeft de hermafrodiete versie van Caenorhabditis elegans?


Wikipedia stelt:

De mannelijke C. elegans heeft bijvoorbeeld 1031 cellen

Hoeveel cellen heeft de vrouwelijke versie?


959 Somatische cellen volgens WormBase en The WormBook.


Omega-3 en Omega-6 vetzuurmetabolisme: modellering van groei en ziekte met behulp van Caenorhabditis elegans

Abstract

de rondworm Caenorhabditis elegans is een uitstekend biologisch model voor vetzuurstudies, vooral voor het ophelderen van de functies van omega-3- en omega-6-vetzuren en hun derivaten. C. elegans kan essentiële vetzuren synthetiseren en heeft ook het vermogen om omega-6 om te zetten in omega-3-vetzuren. Deze review beschrijft hoe functies van specifieke vetzuren kunnen worden ontdekt door gebruik te maken van mutante stammen die defect zijn in verschillende stappen van de synthese van meervoudig onverzadigde vetzuren met lange keten. We beschrijven de rol van omega-3- en omega-6-vetzuren en hun afgeleide signaalmoleculen in groei en ontwikkeling, reproductie en neuronale functie.


Dierendiversiteitsweb

Caenorhabditis elegans leven in gematigde streken in vele delen van de wereld (Nicholas 1975).

Habitat

Caenorhabditis elegans zijn terrestrische organismen. Ze leven voornamelijk in de bodem (Lee & Atkinson 1977). De grond moet een constant vochtgehalte hebben, zodat de worm zich in de waterfilm kan bewegen en water uit de grond kan halen. Ook moet de grond een matig zuurstofgehalte hebben. Wormen kunnen mogelijk niet doordringen in bodems met een hoog kleigehalte. Voor een ideale beweging moet de worm ongeveer drie keer zo lang zijn als de diameter van de gronddeeltjes (Nicolaas 1975). Wormen komen ook voor in of op bovengrondse rottende vegetatie (Edgley 1999).

Fysieke beschrijving

Caenorhabditis elegans hebben langwerpige cilindrische lichamen, taps toelopend aan beide uiteinden, met een gladde huid, geen segmentatie en geen aanhangsels. Volwassenen worden ongeveer 1 mm lang. Precies 959 cellen vormen Caenorhabditis elegans, en hun lichaam is transparant, daarom kunnen individuele cellen gemakkelijk worden waargenomen met een microscoop (Edgley 1999).

Reproductie

Caenorhabditis elegans hebben twee natuurlijk voorkomende geslachten, een mannelijke en een zelfbevruchtende hermafrodiete vrouwtjes komen van nature niet voor. De meerderheid van de individuen zijn hermafrodieten, mannetjes vormen gewoonlijk niet meer dan 0,20% van de natuurlijke populatie. Het aantal mannetjes kan echter worden vergroot door de temperatuur bij het begin van de geslachtsrijpheid te verhogen (Nicholas 1975). Hermafrodieten zijn protandrisch, de individuen produceren eerst sperma en produceren dan eieren (Blaxter 1999). Meestal zullen wormen gewoon hun eigen eieren bevruchten (Bird 1991). De mannetjes die er wel zijn, paren echter met hermafrodieten, waardoor de genenpool in de populatie wordt vermengd (Nicholas 1975). De eieren worden binnen twee tot drie uur na de bevruchting gelegd en komen ongeveer twaalf uur later uit. De wormen ontwikkelen zich tot volwassen wormen in vier larvale stadia, dit duurt doorgaans ongeveer drie dagen wanneer de temperatuur varieert van 20 tot 25 graden Celsius (Blaxter 1999). Temperatuur speelt een belangrijke rol bij het ontstaan ​​van Caenorhabditis elegans. De gemiddelde levensduur van de wormen is twee tot drie weken (Edgley 1999).

Afbeeldingen van Caenorhabditis elegans en sperma: http://www.mcb.arizona.edu/Wardlab/gallery.html (Muhlrad 1998)

  • Gemiddelde leeftijd bij seksuele of reproductieve volwassenheid (vrouwelijk)
    Geslacht: vrouw 3 dagen Een leeftijd
  • Gemiddelde leeftijd bij seksuele of reproductieve volwassenheid (mannelijk)
    Geslacht: man 3 dagen Een leeftijd

Levensduur/Levensduur

Gedrag

Caenorhabditis elegans heeft een eenvoudig brein en een zenuwstelsel (Malakhov 1994). Ze hebben relatief eenvoudig gedrag, maar zijn in staat tot rudimentair leren (Edgley 1999). De wormen hebben basale tactiele zintuigen waarmee ze hun omgeving kunnen bepalen (Lee & Atkinson 1977). Meestal gebruiken Caenorhabditis elegans chemosensatie en een sterk reukvermogen om informatie uit hun omgeving te krijgen. De wormen zijn erg ontvankelijk voor chemische signalen die hen naar voedsel leiden, hen helpen gifstoffen te vermijden, partners te vinden en roofdieren te vermijden (Troemel 1999). Er is geen sterk visueel gevoel nodig vanwege de donkere omgeving waarin ze leven, maar er zijn aanwijzingen dat de wormen minimaal reageren op licht (Lee & Atkinson 1977). De wormen leven vrij en bewegen zich door hun omgeving, ze leven als individuen.

Eetgewoontes

Caenorhabditis elegans zijn bacterivoren en voeden zich met verschillende soorten bacteriën die in de bodem leven en met rottende vegetatie. Ze voeden zich door bacteriën in suspensie of op afval op te nemen (Nicholas 1975).

Economisch belang voor mensen: positief

Caenorhabditis elegans worden vaak gebruikt in wetenschappelijk onderzoek, ze worden beschouwd als een modelorganisme en zijn gemakkelijk te bestuderen vanwege hun transparantie. Ze zijn gefokt voor gebruik als laboratoriummonsters.

Economisch belang voor mensen: negatief

Deze soort heeft geen bekende negatieve invloed op de mens.

Staat van instandhouding

Caenorhabditis elegans worden niet bedreigd of bedreigd, ze worden in grote aantallen in de natuur aangetroffen.

Andere opmerkingen

Caenorhabditis elegans wordt vaak C. elegans genoemd of simpelweg 'de worm' omdat het een modelsoort is. C. elegans zijn de eerste meercellige organismen waarvan de sequentie van hun volledige genoom is bepaald. Hun genoom bestaat uit zes chromosomen (Blaxter 1999). De genen van de worm worden bestudeerd om te bepalen hoe de complexe processen van embryogenese, ontwikkeling, ziekte en veroudering plaatsvinden. Dit onderzoek leidt tot een beter begrip van de specifieke rollen van genen in andere organismen, waaronder de mens (Edgley 1999). Wetenschappers onderzoeken bijvoorbeeld de rol die verschillende genen spelen in het verouderingsproces van C. elegans, in de hoop dat veel van wat ze leren, zal leiden tot een beter begrip van het complexe verouderingsproces bij mensen. Wetenschappers experimenteren ook met verschillende manieren om het verouderingsproces te vertragen of om te keren. De ontwikkelde technieken zouden dan op mensen kunnen worden getest (Blaxter 1999).

Afbeelding van Caenorhabditis elegans: http://www.soton.ac.uk/

Bijdragers

Meghan Oswald (auteur), University of Michigan-Ann Arbor, Phil Myers (editor), Museum of Zoology, University of Michigan-Ann Arbor.

Referenties

Avery, L. 2000. "Caenorhabditis elegans" (online). Betreden op 22 maart 2000 om: http://www.soton.ac.uk/

Vogel, A., J. Vogel. 1991. De structuur van nematoden, tweede editie. New York: Academic Press, Inc..

Blaxter, M. 1999. "De genetica van Caenorhabditis elegans" (On-line). Betreden op 22 maart 2000 om: http://www.ed.ac.uk/

Edgley, M. 1999. "Inleiding tot Caenorhabditis elegans" (On-line). Betreden op 22 maart 2000 om: http://www.biotech.missouri.edu/Dauer-World/Wormintro.html.

Lee, D., H. Atkinson. 1977. Fysiologie van nematoden, tweede editie. New York: Columbia University Press.

Malakhov, V. 1994. Nematoden: structuur, ontwikkeling, classificatie en fylogenie. Washington: Smithsonian Institution Press.

Nicholas, W. 1975. De biologie van vrijlevende nematoden. Oxford, Engeland: Clarendon Press.

Troemel, E. 1999. Chemosensorische signalering bij C. elegans. BioEssays, 21: 1011-1020.

Wood, W. 1988. De nematode Caenorhabditis elegans. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press.


de nematode Caenorhabditis elegans is uitgegroeid tot een belangrijk experimenteel organisme met toepassingen op veel biomedische onderzoeksgebieden. De spiercellen van de lichaamswand zijn een bruikbaar model voor de studie van menselijke cardiomyocyten en hun homologe structuren en eiwitten. Het vermogen om gemakkelijk mutaties te identificeren die deze eiwitten en structuren beïnvloeden in C elegans en om hun genotypen en fenotypes op cellulair en moleculair niveau rigoureus te karakteriseren, maakt het mechanistische studies mogelijk van de verantwoordelijke interacties die relevant zijn voor de erfelijke menselijke cardiomyopathieën. Toekomstig werk in C elegans spier is veelbelovend in het blootleggen van nieuwe mechanismen in de pathogenese van deze hartaandoeningen.

Invoering

Cardiomyopathieën zijn een diverse reeks hartspieraandoeningen die gepaard gaan met mechanische en elektrische disfunctie en een hoog risico op plotselinge hartdood en hartfalen. De 2 belangrijkste klinische typen van erfelijke cardiomyopathie zijn hypertrofische cardiomyopathie (HCM) en gedilateerde cardiomyopathie (DCM) 1-3 (Figuur 1). Klinische anamnese wijst op een positieve familiegeschiedenis in ongeveer 60% van de HCM en in 20% tot 35% van de DCM-gevallen. Van de overige primaire HCM- of DCM-gevallen wordt sterk vermoed dat het een niet-herkende familiale ziekte of nieuwe mutaties zijn. Het meest voorkomende overervingspatroon is autosomaal dominant, maar bij een veel lagere frequentie worden ook autosomaal recessieve en X-gebonden recessieve overervingspatronen waargenomen. In de afgelopen 20 jaar zijn meer dan 450 mutaties in 20 genen ontdekt die HCM veroorzaken. Bijna alle aangetaste eiwitten zijn componenten van het sarcomeer. De genen die het vaakst worden aangetast, coderen voor β-myosine zware keten 4,5 en myosine-bindend eiwit C 6,7 (goed voor ten minste 25% elk), en troponine T, troponine I, tropomyosine en regulerende myosine lichte keten (goed voor ongeveer 2-5% elk). 2,8 Tot op heden leiden mutaties in meer dan 30 genen tot DCM. De meeste van deze genen coderen ook voor sarcomere eiwitten. Interessant is dat verschillende mutaties in hetzelfde gen kunnen resulteren in HCM of DCM. Momenteel kennen we de oorzakelijke mutatie slechts voor 50% van de gevallen van HCM en 20% van de gevallen van DCM. Ondanks de wetenschap dat mutaties in zoveel verschillende sarcomeer- en sarcomeer-geassocieerde eiwitten resulteren in HCM en DCM, zijn de exacte moleculaire mechanismen waardoor deze mutaties resulteren in klinische harthypertrofie of dilatatie, onbekend.

Figuur 1. Normale en cardiomyopathie harten (A tot en met C): A, hypertrofisch B, normaal C, verwijd. Vergelijk de dikte van de linkerventrikelwand en het kamervolume van het normale hart (B) met de toegenomen linkerventrikelwanddikte van hypertrofische cardiomyopathie (EEN) en met de dunnere wanddikte van de linkerventrikel en het toegenomen volume van de linkerventrikelkamer van gedilateerde cardiomyopathie (herdrukt met toestemming van Cell Press van Seidman JG, Seidman C. De genetische basis voor cardiomyopathie: van mutatie-identificatie tot mechanistische paradigma's. Cel. 2001104:557-567). Lichtmicroscopie van weefselcoupes gekleurd met hematoxyline en eosine van hypertrofische (NS), normaal (E), en verwijde (F) cardiomyopathiepatiënten. Let in het hypertrofische weefsel op de myocytenwanorde (gelabeld) en interstitiële fibrose (witachtige ovale gebieden). Let in het verwijde weefsel op de myocytdegeneratie en grote gebieden van interstitiële fibrose. (Overgenomen met toestemming van Massachusetts Medical Society van Watkins H, Ashrafian H, Redwood C. Inherited cardiomyopathies. N Engl J Med. 2011364:1643–1656.)

de nematode Caenorhabditis elegans blijft een uitstekend model voor het bestuderen van de organisatie, assemblage en onderhoud van de sarcomeer. De belangrijkste dwarsgestreepte spier van C elegans wordt gevonden in de lichaamswand en is nodig voor de voortbeweging van het dier (Figuur 2). Vanwege het kleine formaat van dit aaltje (1 mm lange adulten) zijn hart en bloedsomloop niet nodig. Dus, C elegans is niet geschikt voor het bestuderen van een aantal aspecten van de menselijke hartfunctie en ziekte, waaronder kamerontwikkeling, fibrose, hypertrofie, hermodellering en hemodynamica. Niettemin rechtvaardigt de nauwe homologie van eiwitten en structuren van belang de studie van nematodenlichaamswandspier als een manier om de menselijke hartspier te begrijpen. Tabel 1 somt de voor- en nadelen op van: C elegans als een model voor een normaal en ziek menselijk hart. Naast het gemakkelijk kunnen uitvoeren van mutatieanalyses in een heel organisme, zowel via voorwaartse als achterwaartse genetica, biedt deze nematode verschillende voordelen voor het bestuderen van spieren. Deze omvatten de optische transparantie, die evaluatie van de myofibrillaire structuur door gepolariseerd licht mogelijk maakt, en de lokalisatie van GFP-gelabelde eiwitten. Bovendien maakt de gebruikelijke manier van zelfbevruchting de voortplanting van spiermutanten mogelijk die anders niet zouden kunnen paren.

Figuur 2. De lichaamswandspier van C elegans. EEN, Gezicht op een leven C elegans door gepolariseerde lichtoptiek. Een van de 4 kwadranten van de lichaamswandspier is zichtbaar, er zijn in elkaar grijpende paren spoelvormige cellen (de grens van één cel wordt gemarkeerd door pijlen). De evenwijdige witte lijnen die bijna evenwijdig aan de lange as van de worm lopen, zijn de dikke filament-bevattende A-banden. 122 (Overgenomen met toestemming van Cell Press van Mackenzie JM, Garcea RL, Zengel JM, Epstein HF. Spierontwikkeling in Caenorhabditis elegans: mutanten die een vertraagde sarcomeerconstructie vertonen. Cel 197815:751–762.) B, Hogere vergroting van de lichaamswandspier die 1 spiercel en delen van 3 andere spiercellen toont, immunologisch gekleurd met antilichamen tegen myosine. De parallelle lijnen zijn de A-banden, ongeveer gelijk aan de witte lijnen gezien door gepolariseerd licht in EEN. (Overgenomen met toestemming van Rockefeller University Press van Landsverk ML, Li S, Hutagalung AH, Najafov A, Hoppe T, Barral JM, Epstein HF. De UNC-45 chaperonne bemiddelt sarcomeerassemblage door myosinedegradatie in Caenorhabditis elegans. J Cell Biol. 2007177:205–210.) C, Gedeelte van een lichaamswandspiercel die immunologisch is gekleurd met antilichamen tegen UNC-112 (Kindlin), een met integrine geassocieerd eiwit dat is gelokaliseerd in de bases van zowel M-lijnen als dichte lichamen (Z-schijven). In deze afbeelding verschijnen de dwarsdoorsneden van dichte lichamen als dikke stippen (aangegeven door pijl), en de M-lijnen verschijnen als bijna ononderbroken dunnere lijnen (aangegeven door pijlpunt). NS, Hoge resolutie en vergroting van de lichaamswandspier met behulp van gepolariseerde optica, in een vlak dat identiek is aan die in EEN door C. De donkere banden zijn I-banden die alleen dunne filamenten bevatten. De heldere streepjes in het midden van I-banden zijn de dichte lichamen (Z-schijf-analogen), waaraan dunne filamenten zijn bevestigd. De heldere of witte banden zijn A-banden die zowel dikke als dunne filamenten bevatten. L is de lengte van een individueel dik filament. Deze filamenten maken een hoek van 5,9° met de A-I-interface. De A-band is 1,0 m breed. Aangezien sinus gelijk is aan tegenovergesteld over hypotenusa-lengtes, wordt L berekend op 9,7 m. (Herdrukt met toestemming van Cell Press van Mackenzie JM, Epstein HF. Paramyosine is noodzakelijk voor de bepaling van de lengte van het dikke filament van de nematode in vivo. Cel. 198022:747–755.) E, Afbeelding van een deel van een spiercel in een van de kwadranten van de lichaamswand. De rechterbovenhoek toont een deel van de worm die in dwarsdoorsnede is gesneden met kwadranten van de lichaamswand in geel. De vergroting toont de organisatie van filamenten en membraanbevestigingsstructuren in verschillende doorsnedevlakken. Vlak 1 toont een enkel sarcomeer in een typisch aanzicht van dwarsgestreepte menselijke spieren. Een enkele sarcomeer overspant tussen 2 dichte lichamen. In het midden bevindt zich een M-lijn waarop vermoedelijk dikke filamenten zijn verknoopt. Vlak 2 toont het vlak van sectie gevonden in delen EEN door NS, wanneer een worm op een objectglaasje wordt geplaatst en wordt bekeken met fluorescerende of gepolariseerde lichtmicroscopie. Vlak 3 is een dwarsdoorsnede door de worm en de spiercel. Merk op dat alle dichte lichamen en M-lijnen zijn bevestigd aan het spiercelmembraan en ideaal zijn gepositioneerd om de kracht van spiercontractie over te brengen. F, Schematische weergave van de locatie van de meeste van de bekende componenten van de sarcomeer- en membraanaanhechtingsplaatsen van de lichaamswandspier van de nematoden. Merk op dat sommige eiwitten zowel op M-lijnen als dichte lichamen worden gevonden. Deze eiwitten zijn meestal membraan-proximaal, zoals UNC-52 (perlecan), PAT-3 (β-integrine) en PAT-4 (integrine-gekoppeld kinase).

Tafel 1. Caenorhabditis elegans als een hartziektemodel

C elegans biedt een aantal voordelen als experimenteel organisme in vergelijking met Drosophila, zebravis of de muis. Elk van deze andere organismen deelt slechts een subset van deze experimentele mogelijkheden. Ook moet worden opgemerkt dat geen van de organismen die in genetische experimenten worden gebruikt, een ideaal model biedt voor de studie van hartziekten bij de mens. C elegans biedt dwarsgestreepte spieren. Drosophila en zebravissen vertonen alleen primitieve hartachtige structuren die in ontwikkelings- en fysiologisch opzicht verschillen van zoogdierharten. Zelfs de muis, hoewel hij een zoogdier met vier kamers heeft, vertoont, als klein zoogdier, verschillende patronen van sarcomere genexpressie en fysiologische kenmerken in het hart van die van grotere zoogdieren, vooral mensen. Een illustratief voorbeeld is het verschil waarin het myosine-zware-ketengen voornamelijk tot expressie wordt gebracht in hartventrikels: bij muizen brengen foetussen -myosine tot expressie en vervolgens wordt dit verdrongen door α-myosine bij volwassenen, terwijl bij mensen β-myosine tot expressie wordt gebracht bij zowel foetale als volwassen stadia. 10-12

Cellulaire en moleculaire architectuur van C elegans Spier

C elegans lichaamswand spiercellen zijn verdeeld over 4 kwadranten die langs de lengte van het dier lopen. In de volwassen nematode zijn er in totaal 95 spoelvormige mononucleaire cellen, met 23 cellen in het linker ventrale kwadrant en 24 cellen in de andere kwadranten. Binnen elk kwadrant zijn de cellen gerangschikt in in elkaar grijpende paren (Figuur 2A). Afwisselende contractie en relaxatie van ventrale en dorsale kwadranten maakt de slangachtige beweging van de nematode op een halfvast oppervlak mogelijk. Het myofilamentrooster is beperkt tot een smalle zone van ≈1,5 m naast het celmembraan langs de buitenzijde van de spiercel (Figuur 2E). Binnen de meeste spiercellen zijn er 9-10 A- en I-bandparen (Figuur 2B). Gepolariseerd lichtmicroscopie werd gebruikt om lichaamswandspier af te beelden bij lage (Figuur 2A) en hoge (Figuur 2D) vergroting. Het heldere of dubbelbrekende materiaal stelt het dikke filament voor dat A-banden bevat en het donkere materiaal stelt het dunne filament voor dat I-banden bevat. De afbeelding met hoge vergroting / resolutie van figuur 2D laat zien dat in het midden van de I-banden heldere streepjes zijn die dwarsdoorsneden van de Z-schijfachtige dichte lichamen vertegenwoordigen. 13,14

De dunne filamenten zijn bevestigd aan de dichte lichamen (Z-schijf-analogen) en de dikke filamenten zijn georganiseerd rond M-lijnen. Bovendien zijn alle dichte lichamen en M-lijnen verankerd aan het spiercelmembraan en de extracellulaire matrix, die is bevestigd aan de hypodermis en de cuticula (Figuur 2E). Hierdoor kan de kracht van spiercontractie direct op de cuticula worden overgebracht en kan het hele dier bewegen.

Veel componenten van C elegans sarcomeren en hun membraan-extracellulaire matrixbevestigingsstructuren zijn gedefinieerd (Figuur 2F). M-lijnen en dichte lichamen van nematodenspier hebben niet alleen de functie van analoge structuren in de spieren van gewervelde dieren, maar zijn ook vergelijkbaar met de costameren van dwarsgestreepte spieren van gewervelden en de focale adhesies van niet-spiercellen in hun verankering aan het plasmamembraan en hun belangrijkste eiwitten ( Figuur 2F en Figuur 3A en 3B). 15-17

Figuur 3. Op integrine gebaseerde membraanaanhechtingsplaatsen in C elegans lichaamswandspier (A en B). Ons huidige begrip van de sets van interagerende eiwitten die zich respectievelijk op nematode M-lijnen en dichte lichamen bevinden. De meeste interacties werden eerst geïdentificeerd door gist 2-hybride screenings en testen, bevestigd door in vitro binding met behulp van gezuiverde eiwitten, en gelokaliseerd door antilichamen of GFP-fusies. Bij M-lijnen creëren deze interacties een fysieke koppeling van het spiercelmembraan [via perlecan (UNC-52) en de integrines (PAT-2 en PAT-3)] naar myosine (MHC A) in dikke filamenten. Beginnend met dezelfde eiwitten op het spiercelmembraan, is er een vergelijkbare fysieke koppeling bij dichte lichamen, vermoedelijk met actine in dunne filamenten [bijvoorbeeld via vinculine (DEB-1) en α-actinine (ATN-1)]. Eiwitten tussen haakjes zijn de menselijke homologen van de nematodeneiwitten. Rood geeft menselijke homologen aan die zijn gemuteerd in cardiomyopathie. Groen staat voor eiwitten die, wanneer ze worden uitgeschakeld in de muis, resulteren in cardiomyopathie (PINCH), of wanneer ze worden neergeslagen in de zebravis, resulteren in een defecte hartontwikkeling (Kindlin). Geel geeft kandidaat-cardiomyopathiegenen/-eiwitten aan.

In de afgelopen 7 jaar is gemeld dat meerdere eiwitcomplexen het spiercelmembraan verbinden met dikke filamenten op de M-lijn in C elegans (Figuur 3A). De cytoplasmatische staart van integrine is geassocieerd met een complex van 4 geconserveerde eiwitten [UNC-112 (Kindlin bij zoogdieren), PAT-4 (integrine-gekoppelde kinase, ILK), PAT-6 (Actopaxin) en UNC-97 (PINCH)] . 18-20 UNC-97 verbindt met myosine in dikke filamenten via 4 verschillende complexen: via UNC-98, via LIM-9 (FHL) en UNC-96, via LIM-8 en via UNC-95 en LIM-8. 21-23 Vergelijkbare vooruitgang wordt geboekt bij het definiëren van een dichte lichaamseiwitinteractiematrix die de koppeling van het spiercelmembraan aan dunne filamenten helpt verklaren (Figuur 3B). 24

In C elegans lichaamswandspier, alle M-lijnen en dichte lichamen zijn verankerd aan het spiercelmembraan (Figuur 2E, vlak 3). In de menselijke hartspier zijn alleen die Z-schijven en mogelijk M-lijnen die zich aan de periferie van de spiercel bevinden, via costameren aan het spiercelmembraan verankerd. Bovendien fungeren de geïntercaleerde schijven als terminale Z-schijven voor verankering van dunne filamenten en als sterke intercellulaire verbindingen.

De meeste eiwitten van de C elegans sarcomeer (afgebeeld in figuur 2F) werden voor het eerst geïdentificeerd door mutaties in 2 belangrijke fenotypische klassen. In de ongecoördineerde of "Unc"-klasse ontwikkelen dieren zich door mutatie in een van de ≈40-genen tot volwassenen, maar ze bewegen zich langzaam of zijn verlamd. 25,26 In de "Pat"-klasse van mutanten (verlamd tot 2-voudig gestopt) als gevolg van mutatie in een van de 20 genen, bewegen embryo's niet in de eierschaal en stopt de ontwikkeling in het 2-voudige stadium. 27,28 Mutaties in verschillende genen hebben functieverlies Unc en null Pat fenotypes voorbeelden zijn onder meer unc-45, unc-52, unc-97, en unc-112.

Door de jaren heen, C elegans heeft bewezen een uitstekend platform te zijn voor het ontdekken van nieuwe informatie over geconserveerde sarcomerencomponenten [bijv. myosine zware keten, UNC-112 (kindlin)], en voor het ontdekken van absoluut nieuwe en toch geconserveerde componenten van sarcomeren [bijv. UNC-89 ( obscurine) en UNC-45]. De eerste volledige sequentie van een zware keten van myosine van welk organisme dan ook was UNC-54 (MHC B). 29 De sequentieanalyse ervan leidde niet alleen tot een verklaring voor de manier waarop myosinestaven zich op een parallelle manier langs het grootste deel van de dikke filamentschacht assembleren, maar voorspelde ook nauwkeurig het absoluut geconserveerde patroon en de afstand tussen myosinekoppen die uit het dikke filamentoppervlak steken. mutaties in unc-54 zware keten van myosine die de synthese, enzymatische activiteit en assemblage ervan beïnvloeden, zowel recessief als dominant, 30-32 diende als basis voor de interpretatie van de baanbrekende ontdekkingen van de Seidmans dat bepaalde missense-mutaties in de zware keten van β-cardiale myosine veel gevallen van HCM veroorzaken . 4,5

De sequentie van twitchin 33,34 toonde voor de eerste keer aan dat een intracellulair eiwit Ig- en Fn3-domeinen kan bevatten en was de eerste volledige sequentie van een lid van de titinefamilie van gigantische cytoskeleteiwitten, die werd gerapporteerd vóór de sequentie van titine van gewervelde dieren. De kristalstructuur van het kinasedomein van twitchin was de eerste kristalstructuur van een lid van de myosine lichte ketenkinasefamilie 35 en werd bevestigd in een vergelijkbare structurele bepaling van titinekinase. 36 De structuur van twitchin-kinase verklaarde de "auto-inhibitie" van de myosine lichte keten kinase-familie van eiwitkinasen.

De essentiële kenmerken van UNC-89 als een signalerings- en steigerreus die cruciaal is voor de assemblage van A-band/M-lijn werden beschreven 37 5 jaar voordat de gewervelde homoloog obscurin werd gerapporteerd. 38,39

De geconserveerde myosine hoofdchaperonne, UNC-45, werd voor het eerst beschreven in C elegans. 40-44 Later bleek dat gewervelde dieren zowel een dwarsgestreepte spierspecifieke cel als een algemene cel UNC-45 hebben. 45

Hoewel kindlins voor het eerst werden geïdentificeerd bij mensen (en recentelijk betrokken waren bij erfelijke ziekten van huid en leukocyten/bloedplaatjes), kwam de eerste aanwijzing dat ze een rol spelen bij integrineadhesiecomplexen uit studies in C elegans op zijn ortholoog, UNC-112. 46 Studies in C elegans toonde voor het eerst aan dat kindlin (UNC-112) een interactie aangaat met integrine-gekoppelde kinase (PAT-4) en dat deze 2 eiwitten in vivo samenwerken. 18

De sterkte van C elegans als een model genetisch systeem

Veel genen nodig voor spieropbouw of functie in C elegans zijn geïdentificeerd door voorwaartse genetische schermen. Deze schermen werden mogelijk gemaakt door het gemak waarmee klassieke genetica in dit organisme kan worden uitgevoerd: een snelle generatietijd (3 dagen), een grote broedgrootte per volwassene (≈300), en de kleine omvang van het dier en het kweekgemak maken grote aantallen dieren mogelijk worden gescreend op zeldzame mutaties (er kunnen tot 10.000 dieren worden gekweekt op een standaard petrischaal). 47 Bovendien kunnen homozygoten gemakkelijk worden teruggewonnen, aangezien de standaard reproductiemethode zelfbevruchting is. (Niettemin kunnen mannetjes worden verkregen en gebruikt in genetische kruisingen.) Zoals bij mutagenese in elk organisme, wordt de concentratie van mutageen gebruikt zodat de frequentie van het verkrijgen van een gewenste mutant praktisch is. Dit resulteert echter in mutagenese van niet alleen een gewenst gen, maar ook van vele andere genen in het genoom. 48 Om de meeste van deze achtergrondmutaties te verwijderen, wordt de oorspronkelijke mutante stam gekruist met wildtype, meestal 5 tot 7 keer. De uitkruisingsprocedure is uitstekend geschikt voor het verwijderen van mutaties op andere chromosomen, maar verwijdert geen mutaties die nauw verbonden zijn met de gewenste mutatie. Om dit probleem op te lossen, worden meerdere mutante allelen verkregen en worden zowel hun fenotypes als fenotypes van heteroallele combinaties vergeleken.

Individuele mutanten worden in complementatiegroepen geplaatst en met behulp van markerstammen worden mutanten toegewezen aan 1 van de 6 chromosomen (5 autosomen en X), en vervolgens worden 2 en 3 factorkruisingen uitgevoerd om de mutatie binnen een chromosoom genetisch in kaart te brengen. 49 Fijnere kartering wordt vaak bereikt met behulp van deficiëntiestammen. Er is een correlatie tussen de genetische (recombinatie) en fysieke kaart, die bestaat in een reeks overlappende cosmide- en YAC-klonen die verkrijgbaar zijn bij de C elegans voorraad centrum. Deze klonen worden gebruikt in transgene reddingsexperimenten 50 om het mutante gen in kaart te brengen op een reeks overlappende cosmiden, 1 cosmide, en vervolgens, door gebruik van restrictie- of PCR-fragmenten, op een enkelvoudig eiwitcoderend gen. DNA-sequencing voor identificatie van de mutatie en RNAi om de mutant 51 te fenokopiëren kan vervolgens worden gebruikt om te verifiëren dat het gen, eerst gedefinieerd door mutatie, overeenkomt met een bepaald DNA-segment.

Na mutagenese kunnen screenings op spierdefectieve mutanten worden uitgevoerd in de F1- of F2-generaties. Omdat de musculatuur van de lichaamswand nodig is voor normale voortbeweging, was een strategie directe observatie voor dergelijke mutanten: langzaam bewegende dieren oppakken en hun lichaamswandmusculatuur observeren met gepolariseerde lichtmicroscopie op defecten in de structuur, of, meer omslachtig, dieren oppakken willekeurig en observeren door gepolariseerd lichtmicroscopie. 25 Een andere strategie was om mutanten met langzame beweging te verrijken: gemutageniseerde wormen werden in het midden van een grote plaat geplaatst met een ring van bacteriën aan de rand. Nadat de wormen enkele uren naar buiten hadden kunnen kruipen (wormen chemotax voor bacteriën), werden de dieren die in het midden achterbleven gescreend op langzame beweging en door gepolariseerd licht. 26

Andere soorten screening hebben gezocht naar extragene suppressormutaties van genen die verlamming of ongewone beweging veroorzaken: bijvoorbeeld verschillende missense-mutaties in de kop van een van de myosinen (gecodeerd door unc-54) werden teruggevonden als onderdrukkers van het "twitching" fenotype van unc-22 mutanten. 52 Het gen dat codeert voor de splitsingsfactor sup-12 werd geïsoleerd als een extragene suppressor van de unc-60 gen (dat codeert voor ADF/cofiline). 14,53 Ten slotte zijn mutaties in veel verschillende genen teruggevonden als extragene suppressors van de "rigide verlamming" van een bepaald allel van unc-105, dat codeert voor een spierspecifiek amiloridegevoelig Na+-kanaal. 54,55 Deze soorten screening resulterend in volwassen Unc-genen zijn waarschijnlijk verzadigd en zoals hierboven vermeld in totaal 40 genen. Halfautomatische en high-throughput-methoden voor het screenen van volwassenen op mutanten met abnormale lokalisatie van GFP-gelabelde eiwitten 56 die in de toekomst "computer vision" kunnen gebruiken voor patroonherkenning, en nieuwere methoden voor het beoordelen van de motiliteit van nematoden 57,58 openen de deur naar het identificeren van aanvullende mutante genen in de toekomst.

Door de attributen van C elegans als een genetisch modelsysteem kunnen vaak meer geavanceerde experimenten op de fysiologie van mutante spiereiwitten worden uitgevoerd dan bij muizen of bij mensen (tabel 1). Biochemische analyses van specifieke eiwitinteracties kunnen in vivo worden uitgevoerd. Hoppe et al. 59 toonden bijvoorbeeld aan dat de moleculaire chaperonne UNC-45 het ubiquitinatie-proteasoomsysteem nodig heeft voor de regulatie van zijn in vivo omzet, en Landsverk et al. 60 toonden aan dat UNC-45 de omzet van de lichaamswand-myosinen bemiddelt door een vergelijkbaar mechanisme. Beide studies gebruikten specifieke mutaties, redding door transgenen en RNAi-knockdowns in levende nematoden.

Proteomen van nematoden en menselijk hart worden behouden

Zoals hierboven opgemerkt, resulteren 20 genen, wanneer ze gemuteerd zijn, in de andere belangrijke fenotypische klasse van genen die de spieren aantasten, de Pat-klasse. Een genoombreed scherm resulteerde in herstel van 16 van dergelijke genen. 27 Een screening op het Pat-fenotype van ≈3000 in spieren tot expressie gebrachte genen door RNAi resulteerde in het herstel van 4 nieuwe Pat-genen. 28 Deze zelfde set genen werd onderworpen aan RNAi en gescreend op defecten in de organisatie van GFP-gelabelde myosine: 104 nieuwe genen werden geïdentificeerd. Gedurende het afgelopen decennium zijn ten minste 10 nieuwe sarcomere eiwitten geïdentificeerd met behulp van schermen van een gist 2-hybride bibliotheek met lokaas bestaande uit bekende nematoden sarcomere eiwitten. 17 Homologie met spiereiwitten van gewervelde dieren identificeert nog minstens 2 dozijn eiwitten. Zo komen de 40 Unc, 20 Pat, 104 sarcomeer-defecte, 10 interagerende en 24 homologe eiwitten op een totaal van 198. Verschillende Unc- en verschillende Pat-genen moeten nog worden gedefinieerd op moleculair niveau. Zoals hieronder vermeld, hebben veel menselijke genen die zijn gemuteerd in cardiomyopathie homologe eiwitten/genen in C elegans. Ten minste 7 van deze nematodengenen komen tot expressie in spieren, maar hun functie in spieren is niet onderzocht (MLP-1, CAV-1, CAV-2, JPH-1, EYA-1, ACL-3, T07D3.6 Tabel 2). Ongetwijfeld zullen in de toekomst nieuwe genen worden geïdentificeerd door nieuwe mutantenjachten, RNAi- en 2-hybride screenings, homologieën, enzovoort. Er zijn dus minstens 200 eiwitten nodig voor de opbouw, het onderhoud of de functie van het sarcomeer in C elegans, en we zijn nog steeds aan het tellen.

Tafel 2. Genen/eiwitten gemuteerd in menselijke cardiomyopathieën met orthologen of homologen erin Caenorhabditis elegans

LVNC duidt op linkerventrikel non-compactie cardiomyopathie WPW, Wolff-Parkinson-White-syndroom.


Materialen en methodes

Klonen mog-4.

Eerste toewijzing geplaatst mog-4 links van unc-52 op chromosoom II (6). C04H5.6, dat codeert voor een DEAH-box-eiwit, bevindt zich in deze regio. Er is een reddingspoging gedaan met C04H5 of een 12,8 kb XbaL-BstXI subkloon (pAP1) die C04H5.6 dekt. Het geïnjecteerde DNA was 5 ng/μl van het C04H5-cosmide of pAP1, 30 ng/μl pRF4-roller-DNA en 70 ng/μl Haemophilus influenzae genomisch DNA als drager. De H. influenzae DNA was added to create a complex extrachromosomal array, which facilitates germline expression (9). Adults injected were unc-4(e120) mog-4(q233)/mnC1. The penetrance of mog-4(q233) was 100% at 20°C: all adults scored were Mog: no oocytes and a large excess of sperm (n = >100 worms scored). Unc-4 progeny carrying either C04H5 or pAP1 as transgenes were scored for fertility when fertile, such animals had low brood sizes and segregated many dead embryos, as expected for a weakly rescued mog-4 mutant. From 29 worms injected, 86 F1 rollers were obtained. Among those rollers were seven sterile UncMog worms and three fertile Uncs, which were rescued. One fertile line was maintained for several generations. To confirm the identity of mog-4 as C04H5.6, we sequenced the corresponding genomic DNA from mog-4(q233) mutants: genomic DNA was extracted from mog-4 homozygotes and C04H5.6 amplified by PCR using Expand Taq DNA polymerase (Boehringer Mannheim). PCR products were sequenced directly and compared with published sequence.

Cloning mog-5.

mog-5 maps between unc-85 en dpy-10 (ref. 6 and this study) it is deleted by mnDf4, but not by mnDf96 or mnDf30. EEED8.5, which was predicted to encode a DEAH-protein, resides in this region. Rescue was attempted with cosmid EEED8, pJK610 (a 7.4-kb HindIII subclone covering EEED8.5), or pJK611, a variant of pJK610 with a 2,344-nt deletion (a BspEI fragment). The composition of injected DNAs was similar to that described for mog-4, except with relevant DNAs. Adults injected were mog-5(q449) dpy-10(e128)/unc-85(e1414) progeny were scored for fertile Dpy-10. On injection of 22 heterozygotes, 41 fertile Dpy were obtained of which 16 were rescued mog-5 homozygotes and 25 were recombinants. Rescued mutants were distinguished from recombinants by their reduced fertility (3–100 eggs laid per individual) and reduced embryonic viability. A few stable rescued lines were obtained. Rescue (the number of fertile rolling Uncs/total rolling Uncs) was ≈80% for mog-5, but <35% for mog-4, even though similar injection mixtures were used.

Isolation of cDNAs.

C. elegans cDNA libraries (λRB1 and λRB2, provided by R. Barstead, Oklahoma Medical Research Foundation, Oklahoma City, OK) were screened with genomic mog-4 en mog-5 probes. To obtain 5′ ends, we used a 380-nt mog-4 probe from position −195 in the 5′-flanking region and to position +185 in the coding region and a 257-nt mog-5 probe (−92 to +171). For both genes, full-length cDNAs were obtained by joining cDNAs from the 3′ end, obtained from an oligo(dT) primed library (λRB1), with cDNAs from the 5′ end, obtained from a random-primed library (λRB2). The joining sites are AatII in mog-4 en EcoRI in mog-5. The full-length cDNA clones were cloned into the pBluescript vector (+KS, Stratagene) and sequenced by using standard procedures.

RNA Extraction and Northern Analysis.

Poly(A) + RNA was extracted from synchronized animals as described (8). Briefly, frozen worms were homogenized in buffer containing 200 μg/ml proteinase K (Boehringer Mannheim), poly(A) + RNA adsorbed onto oligo(dT)cellulose (Pharmacia), and eluted under low salt conditions. Typically, 2–3 μg of denatured poly(A)-enriched RNA was loaded per lane and separated on a 1.2% denaturing glyoxal gel (10). RNA was blotted on a Hybond-N filter (Amersham) and probed as described (8).

RNA Interference.

For each mog gene, a fragment of cDNA was cloned into pBluescript and used as a template for transcription with T3 or T7 RNA polymerase (Stratagene) [nt 247–799 for mog-1, nt 217–902 for mog-4, and nt 1–1451 for mog-5, with numbering starting at the initiator codon]. Similar regions were selected for other genes tested: positions 10,903–11,262 on F56D2 23,941–24,323 on T05E8 and 38,040–38,468 on C06E1. Constructs were linearized and transcribed into cRNA according to the manufacturer's protocol (Stratagene mCAP RNA Capping kit). Antisense cRNA (1.5 μg/μl) was injected into wild-type adult hermaphrodites and progeny scored for phenotypes. Embryos not hatched >48 hr after laying were scored as dead. The time window of progeny scored starts 10 hr after injection and ends when no more embryos are produced (≈80 hr). To obtain double-stranded RNAs, strands were transcribed with T3 and T7 RNA polymerase (Stratagene), annealed, mixed equally in injection buffer (6.6 mM potassium phosphate, pH 7.3/1 mM potassium citrate, pH 7.5/0.66% polyethylene glycol 6000), and incubated for 10 min at 68°C and for 30 min at 37°C. RNA synthesis, annealing, and integrity were checked on a Tris-borate/EDTA agarose gel.

Phenotype Analysis.

Germ cells were counted in XX adults of genotype mog-4, unc-4 mog-4, mog-5, of mog-5 unc-4 mutants. Animals of 24–30 hr past L4 and raised at 20°C were stained by 4′,6-diamidino-2-phenylindole (0.5 μg/ml in ethanol) and mature sperm nuclei counted in single gonadal arms. Numbers were similar in marked and unmarked mutants.


4. Translational control during spermatogenesis

Translational control is widely employed in differentiating cellular systems (reviewed by Gebauer and Hentze, 2004), and two genes have been identified that act as spermatogenesis-specific regulators of translation.

De cpb-1 gene encodes a cytoplasmic polyadenylation element binding protein. Although this gene is expressed in both the testes and the ovary, RNAi experiments reveal that it is required for spermatogenesis but not oogenesis. cpb-1(RNAi) hermaphrodites lay unfertilized oocytes, like spe/fer mutants. Examination of the spermatheca reveals that cpb-1(RNAi) hermaphrodites accumulate spermatocytes and many of these cells fail to complete meiosis. These results suggest that cpb-1 regulates the translation of one or more mRNAs that are critical for completion of meiosis and perhaps other processes during spermatogenesis (Luitjens et al., 2000).

De ife-1 gene encodes an eIF4E mRNA cap binding protein that is associated with P granules during germline proliferation. RNAi of the ife-1 gene results in a temperature sensitive delay in the completion of spermatogenesis, but the majority of the resulting sperm are not competent to engage in fertilization. About 80% of ife-1(RNAi) treated hermaphrodites are self-sterile and the remaining 20% have reduced broods. These data suggest that IFE-1 regulates translation of one or more RNA that are critical for spermatogenesis and sperm function (Amiri et al., 2001).


Access options

Buy single article

Instant access to the full article PDF.

Tax calculation will be finalised during checkout.

Subscribe to journal

Immediate online access to all issues from 2019. Subscription will auto renew annually.

Tax calculation will be finalised during checkout.


The Connectome Debate: Is Mapping the Mind of a Worm Worth It?

Scientists have mapped a tiny roundworm's entire nervous system. Did it teach them anything about its behavior?

In the 1970s biologist Sydney Brenner and his colleagues began preserving tiny hermaphroditic roundworms known as Caenorhabditis elegans in agar and osmium fixative, slicing up their bodies like pepperoni and photographing their cells through a powerful electron microscope. The goal was to create a wiring diagram&mdasha map of all 302 neurons in the C. elegans nervous system as well as all the 7,000 connections, or synapses, between those neurons. In 1986 the scientists published a near complete draft of the diagram. More than 20 years later, Dmitri Chklovskii of Janelia Farm Research Campus and his collaborators published an even more comprehensive version. Today, scientists call such diagrams "connectomes."

So far, C. elegans is the only organism that boasts a complete connectome. Researchers are also working on connectomes for the fruit fly nervous system and the mouse brain. In recent years some neuroscientists have proposed creating a connectome for the entire human brain&mdashor at least big chunks of it. Perhaps the most famous proponent of connectomics is Sebastian Seung of the Massachusetts Institute of Technology, whose impressive credentials, TED talk, popular book, charisma and distinctive fashion sense (he is known to wear gold sneakers) have made him a veritable neuroscience rock star.

Other neuroscientists think that connectomics at such a large scale&mdashthe human brain contains around 86 billion neurons and 100 trillion synapses&mdashis not the best use of limited resources. It would take far too long to produce such a massive map, they argue, and, even if we had one, we would not really know how to interpret it. To bolster their argument, some critics point out that the C. elegans connectome has not provided many insights into the worm's behavior. In a debate* with Seung at Columbia University earlier this year, Anthony Movshon of New York University said, "I think it's fair to say&hellipthat our understanding of the worm has not been materially enhanced by having that connectome available to us. We don't have a comprehensive model of how the worm's nervous system actually produces the behaviors. What we have is a sort of a bed on which we can build experiments&mdashand many people have built many elegant experiments on that bed. But that connectome by itself has not explained anything."

Because a lone connectome is a snapshot of pathways through which information might flow in an incredibly dynamic organ, it cannot reveal how neurons behave in real time, nor does it account for the many mysterious ways that neurons regulate one another's behavior. Without such maps, however, scientists cannot thoroughly understand how the brain processes information at the level of the circuit. In combination with other tools, the C. elegans connectome has in fact taught scientists a lot about the worm's behavior partial connectomes that researchers have established in the crustacean nervous system have been similarly helpful. Scientists are also learning how to make connectomes faster than before and to enhance the information they provide. Many researchers in the field summarize their philosophy like this: "A connectome is necessary, but not sufficient."

"Some people say we don't know anything about how C. elegans's brain works and I am like, 'Yes, we do!'" says Cornelia Bargmann of The Rockefeller University, who has studied the nematode for more than two decades and attended the Columbia debate. "A lot of what we know about C elegans's rapid behaviors we have learned through and with the connectome. Every time we do an experiment, we look at those wiring diagrams and use them as a starting point for generating hypotheses."

(An in-progress 3D reconstruction of the C. elegans connectome. Dots represent the cell bodies of neurons long lines represent the neurons' axons and dendrites. Credit: The OpenWorm Project, image generated by neuroConstruct)

Early birds
As soon as Brenner and his colleagues at the University of Cambridge completed the 1986 draft of the C. elegans connectome, a few things became clear. First, scientists were able to label every one of the 302 neurons as either a sensory neuron (one that collects information from the environment, such as temperature or pressure) a motor neuron that controls muscles or an interneuron, which connects the two. Scientists had already identified some neurons as motor or sensory by destroying them with lasers and observing what abilities the worm lost or retained. With the connectome, they could categorize all of C. elegans's neurons by referencing the number and types of connections between them. On average, sensory neurons make more presynaptic connections (sites where neurons spit out chemical messages) and fewer postsynaptic connections (where neurons receive chemical messages) because sensory neurons are mainly in the business of sending information to other cells. Motor neurons show the inverse trend. Each type of neuron constituted about one third of the C. elegans nervous system. The wiring diagram also allowed scientists to immediately identify how a neuron of interest was linked to other neurons. If a researcher zapped a neuron near the worm's head and discovered that the nematode no longer inched toward food, he could look up that neuron in the connectome and see exactly how it was connected to motor neurons.

In the 1980s, as a postdoctoral student in Brenner's lab, Martin Chalfie&mdashnow at Columbia University&mdashused the C. elegans wiring diagram to explain one of the worm's behaviors: He identified the specific neural circuits responsible for the worm's tendency to wriggle backward when poked on the head and to squirm forward when touched on the tail. "The connectome was absolutely critical," Chalfie says. "Without it, we simply would not have known which cells were connected to which." By combining the wiring diagram with evidence from previous research, Chalfie predicted that a particular set of interneurons mediated forward movement and that another was involved in backward movement. Annihilating those neurons with lasers confirmed his predictions.

In the following 25 years researchers have continued to use the C. elegans connectome to study the worm's nervous system and behavior. In combination with genetic analysis and tools that eavesdrop on electrical activity within the worm's neurons, the connectome has helped researchers understand how C. elegans responds to temperature, chemicals and mechanical stimulation as well as how the worms mate and lay eggs. Scientists have also used the connectome to discover talents no one knew the nematode possessed: X. Z. Shawn Xu of the University of Michigan identified four neurons in the worm's body that respond to light&mdasha surprising ability for a creature that lives between grains of soil in complete darkness. "Nearly every C. elegans neuroscience study (as long as it involves behavior) benefited from this connectome," Xu wrote in an e-mail message.

Although the C. elegans connectome has been a boon for scientists who study this nematode's behavior, the past two decades of research have also underscored the staggering intricacy of even a relatively small nervous system. "When you move onto behaviors that are more complex than a quick reflex, you're dealing with especially complicated pathways that are not immediately interpretable because they are not simple circuits&mdashthey are networks," explains Scott Emmons of Albert Einstein College of Medicine.

This past summer, in an attempt to confront some of that complexity, Emmons and his colleagues published a connectome of the male nematode's tail, which contains most of the 81 extra neurons that distinguish it from the hermaphrodite (giving the male a total of 383 neurons). It took Emmons and his team about three years to complete and publish the partial connectome: he used more or less the same techniques that Brenner relied on in the 1970s, albeit with faster computers, more powerful microscopes and digital cameras. The male C. elegans connectome also features a crucial piece of information missing from the original draft of its counterpart: synaptic weights. The many connections between neurons are not equal in strength&mdashthe more two neurons communicate, the stronger their link becomes and the more likely one is to fire when the other fires. Neurons may also be genetically programmed to form stronger connections with certain partners as the nervous system develops.

Analyzing synaptic weights in the male nematode's connectome has already given Emmons some ideas about neural development. Some neuroscientists have proposed that genes tightly regulate the strongest connections between neurons in C. elegans, whereas weaker connections are more or less accidents&mdashneurons hooking up with whomever they bump into. Emmons's preliminary analysis shows that homologous pairs of neurons on either side of the nematode's body form highly similar strong and weak connections, suggesting that even the weak connections are not entirely random.

Dynamic networks
Synaptic weights are just one of the many layers of information missing from typical connectomes. To understand how neural circuits work, one also needs to know whether the relevant neurons are excitatory&mdashincreasing the likelihood that linked cells fire&mdashor inhibitory, muffling their partners instead. Further complicating things, neglected neurons shrivel in the developing brain and new neurons sprout to replace them in the adult brain, neurons change the strength of their connections with one another daily&mdashsuch flexibility is essential for learning and memory. Yet another level of complexity involves neuromodulators: certain kinds of neurotransmitters and other small molecules that linger in the fluid surrounding neurons, changing how neurons behave in ways we do not yet fully understand. A prediction about how information will flow through a particular circuit based on a wiring diagram and synaptic weights might be completely wrong if one does not know which neuromodulators are hanging around at any given time.

A good example of how a static connectome fails to capture the dynamics of living neural networks comes from research on the stomatogastric ganglion (STG), a pair of neural circuits in crustaceans&mdashincluding crayfish, crabs, lobsters and shrimp&mdashthat generate rhythmic behavior in response to food. One subcircuit repeatedly constricts and dilates the pyloric region of the stomach, the foyer to the small intestines. Another subcircuit pulsates the gastric mill, a muscular pouch lined with chitinous teeth that help break down food. Mapping all the connections between the 30 neurons in the crustacean STG was an important first step toward understanding how the STG controlled the crustacean digestive system. But it was by no means sufficient. Eve Marder of Brandeis University and others have shown that the neurons in the stomatogastric ganglion do not always use the same unchanging set of connections to communicate with one another. In the presence of certain neuromodulators, a neuron that contributes to the pyloric subcircuit might switch teams, joining the gastric mill subcircuit instead by changing the tempo at which it fires.

Because any brain or nervous system is so much more complex than what a connectome by itself represents, Movshon is certainly not alone in thinking that researchers' limited resources are better devoted to other areas of neuroscience. "I'm all in favor of Seung and others," Bargmann says, "but I don't think we should have a Manhattan Project for the connectome with such a huge amount of resources. We are not quite good enough at reading them. It wasn't like the human genome project, where we knew how to sequence DNA and said, 'Yeah, let's go for it!' Scaling up connectomes is a different issue."

Oliver Hobert of Columbia, another longtime C. elegans researcher, agrees that connectomics only scratches the surface. "It's like a road map that tells you where cars can drive, but does not tell you when or where cars are actually driving," he says. "Still, connectomics of C. elegans has given us wonderful testable hypotheses in terms of how neural circuits work. What we have learned from C. elegans diagrams are not just specific worm behaviors&mdashthey are logical principles common to much of biology."

*Editor's Note: The author is a member of NeuWrite, a workshop of scientists and writers that organized the debate at Columbia.


Concluding remarks

For decades, C. elegans has been a preferred model organism to study fundamental metazoan biology, due it its genetic amenability, inexpensive maintenance, easy experimentation and fully annotated genome encoding for homologues of many human disease-associated genes. Therefore, it can also be considered a suitable model for the genetics of animal nutrition and metabolism. Indeed, many dietary requirements and metabolic responses are evolutionarily conserved, such as the fat accumulation as a result of decreased Ins/IGF-like signalling. Yet, one should be well aware that nematodes and vertebrates do not share all enzymatic pathways and thus show some important differences in their dietary requirements. The most profound differences are sterol and heme auxotrophy of nematodes and the types of essential amino acids and fatty acids required by worm and human (outlined in Fig. 1).

Known common and specific essential nutrients of C. elegans and humans


Scientific community

In 2002, the Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to Sydney Brenner, H. Robert Horvitz and John Sulston for their work on the genetics of organ development and programmed cell death in C. elegans. The 2006 Nobel Prize in Physiology or Medicine was awarded to Andrew Fire and Craig C. Mello for their discovery of RNA interference in C. elegans. [63] In 2008, Martin Chalfie shared a Nobel Prize in Chemistry for his work on green fluorescent protein some of the research involved the use of C. elegans.

Many scientists who research C. elegans closely connect to Sydney Brenner, with whom almost all research in this field began in the 1970s they have worked as either a postdoctoral or a postgraduate researcher in Brenner's lab or in the lab of someone who previously worked with Brenner. Most who worked in his lab later established their own worm research labs, thereby creating a fairly well-documented "lineage" of C. elegans scientists, which was recorded into the WormBase database in some detail at the 2003 International Worm Meeting. [64]


Bekijk de video: Caenorhabditis elegans Internal hatching and ageing (November 2021).