Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans ( / ˌ s i n oʊ r æ b d aɪ t ə s ɛ l ə ɡ æ n s / [6] ) es un transparente de vida libre de nematodos aproximadamente 1 mm de longitud [7] que vive en templado ambientes del suelo. Es la especie tipo de su género. [8] El nombre es una mezcla del griego caeno- (reciente), rabditis (en forma de varilla) [9] y latínelegans (elegante). En 1900, Maupas lo llamó inicialmente Rhabditides elegans. Osche lo colocó en el subgénero Caenorhabditis en 1952, y en 1955, Dougherty elevó a Caenorhabditis a la categoría de género . [10]

Caenorhabditis elegans
Adultos Caenorhabditis elegans.jpg
Un gusano C. elegans hermafrodita adulto
clasificación cientifica editar
Reino: Animalia
Filo: Nematoda
Clase: Cromadorea
Pedido: Rhabditida
Familia: Rhabditidae
Género: Caenorhabditis
Especies:
C. elegans
Nombre binomial
Caenorhabditis elegans
( Maupas , 1900) [1]
Subespecie

C. elegans es un pseudocoelomate no segmentado y carece de sistemas respiratorio o circulatorio. [11] La mayoría de estos nematodos son hermafroditas y algunos son machos. [12] Los machos tienen colas especializadas para el apareamiento que incluyen espículas .

En 1963, Sydney Brenner propuso la investigación de C. elegans, principalmente en el área del desarrollo neuronal. En 1974, comenzó a investigar la biología molecular y del desarrollo de C. elegans , que desde entonces se ha utilizado ampliamente como organismo modelo . [13] Fue el primer organismo multicelular en tener secuenciado todo su genoma y, a partir de 2019, es el único organismo en completar su conectoma ("diagrama de cableado" neuronal). [14] [15] [16]

Movimiento de C. elegans de tipo salvaje

C. elegans no está segmentado , es vermiforme y simétrico bilateralmente . Tiene una cutícula (una cubierta exterior dura, como un exoesqueleto ), cuatro principales epidérmicas cuerdas, y un llenos de líquido pseudoceloma (cavidad del cuerpo). También tiene algunos de los mismos sistemas de órganos que los animales más grandes. Aproximadamente uno de cada mil individuos es masculino y el resto son hermafroditas. [17] La anatomía básica de C. elegans incluye boca, faringe , intestino , gónada y cutícula de colágeno . Como todos los nematodos, no tienen sistema circulatorio ni respiratorio. Las cuatro bandas de músculos que corren a lo largo del cuerpo están conectadas a un sistema neural que permite que los músculos muevan el cuerpo del animal solo como flexión dorsal o ventral, pero no hacia la izquierda ni hacia la derecha, excepto la cabeza, donde los cuatro músculos los cuadrantes están cableados de forma independiente entre sí. Cuando una ola de contracciones de los músculos dorsal / ventral procede de la espalda hacia la parte delantera del animal, el animal es impulsado hacia atrás. Cuando se inicia una ola de contracciones en la parte delantera y avanza posteriormente a lo largo del cuerpo, el animal es impulsado hacia adelante. Debido a este sesgo dorsal / ventral en las curvas del cuerpo, cualquier individuo en movimiento y con vida normal tiende a acostarse sobre su lado izquierdo o su lado derecho cuando se le observa cruzando una superficie horizontal. Se cree que un conjunto de crestas en los lados laterales de la cutícula del cuerpo, las alas, le dan al animal una tracción adicional durante estos movimientos de flexión.

En relación con el metabolismo de los lípidos, C. elegans no tiene ningún tejido adiposo especializado, páncreas , hígado o incluso sangre para suministrar nutrientes en comparación con los mamíferos. En cambio, los lípidos neutros se almacenan en el intestino, la epidermis y los embriones. La epidermis se corresponde con los adipocitos de los mamíferos por ser el principal depósito de triglicéridos . [18]

La faringe es una bomba de alimento muscular en la cabeza de C. elegans , que tiene una sección transversal triangular. Esto muele los alimentos y los transporta directamente al intestino. Un conjunto de "células valvulares" conecta la faringe con el intestino, pero no se comprende cómo funciona esta válvula. Después de la digestión, el contenido del intestino se libera a través del recto, como es el caso de todos los demás nematodos. [19] No existe una conexión directa entre la faringe y el canal excretor , que funciona en la liberación de orina líquida.

Los machos tienen una gónada de un lóbulo, un conducto deferente y una cola especializada para el apareamiento, que incorpora espículas . Los hermafroditas tienen dos ovarios , oviductos y espermateca , y un solo útero .

Diagrama anatómico de un macho de C. elegans

Las neuronas de C. elegans contienen dendritas que se extienden desde la célula para recibir neurotransmisores y un proceso que se extiende al anillo nervioso (el "cerebro") para una conexión sináptica entre neuronas. [20] La mayor diferencia es que C. elegans tiene neuronas motoras excitadoras e inhibidoras, conocidas como neuronas colinérgicas y gabaérgicas , que simplemente actúan como una regulación adicional para la pequeña criatura. No tienen ninguna influencia sobre el sistema nervioso además de regular los impulsos neuronales. [21]

Gránulos intestinales

Numerosos gránulos intestinales están presentes en el intestino de C. elegans , cuyas funciones aún no se conocen completamente, al igual que muchos otros aspectos de este nematodo, a pesar de los muchos años que se ha estudiado. Estos gránulos intestinales se encuentran en todos los órdenes de Rhabditida. Son muy similares a los lisosomas en el sentido de que presentan un interior ácido y la capacidad de endocitosis , pero son considerablemente más grandes, lo que refuerza la visión de que son orgánulos de almacenamiento. Una característica notable de los gránulos es que cuando se observan bajo luz ultravioleta , reaccionan emitiendo una intensa fluorescencia azul . Otro fenómeno observado se denomina "fluorescencia de muerte". A medida que mueren los gusanos, se emite una espectacular explosión de fluorescencia azul. Esta fluorescencia de muerte generalmente tiene lugar en una onda anterior a posterior que se mueve a lo largo del intestino y se observa tanto en gusanos jóvenes como viejos, ya sea sometidos a lesiones letales o muriendo pacíficamente de vejez.

Se han postulado muchas teorías sobre las funciones de los gránulos intestinales, y las primeras han sido eliminadas por descubrimientos posteriores. Se cree que almacenan zinc como una de sus funciones. Un análisis químico reciente ha identificado el material fluorescente azul que contienen como una forma glicosilada de ácido antranílico (AA). Se cuestiona la necesidad de las grandes cantidades de AA que contienen muchos gránulos intestinales. Una posibilidad es que el AA sea antibacteriano y se utilice en defensa contra patógenos invasores. Otra posibilidad es que los gránulos proporcionen fotoprotección; las explosiones de fluorescencia AA implican la conversión de luz ultravioleta dañina en luz visible relativamente inofensiva. Esto se ve como un posible vínculo con los melanosomas que contienen melanina . [22]

Un diagrama anatómico lateral (izquierdo) de un hermafrodita de C. elegans en etapa adulta

El gusano hermafrodita se considera una forma especializada de hembra autofértil, ya que su soma es hembra. La línea germinal hermafrodita produce primero los gametos masculinos y deposita huevos a través de su útero después de la fertilización interna. Los hermafroditas producen todos sus espermatozoides en la etapa L4 (150 espermatozoides por brazo gonadal) y luego producen solo ovocitos . La gónada hermafrodita actúa como un ovotestis y los espermatozoides se almacenan en la misma área de la gónada que los ovocitos hasta que el primer ovocito empuja al esperma hacia la espermateca (una cámara donde los ovocitos son fertilizados por el esperma). [23]

El macho puede inseminar al hermafrodita, que utilizará preferentemente esperma masculino (ambos tipos de espermatozoides se almacenan en la espermateca).

Una vez que reconoce un gusano hermafrodita, el nematodo macho comienza a rastrear al hermafrodita con su cola hasta que alcanza la región vulvar. Luego, el macho explora la región con sus espículas para localizar la vulva, las inserta y libera el esperma. [24]

El esperma de C. elegans es ameboide, carece de flagelos y acrosomas . [25] Cuando se auto insemina, el gusano de tipo salvaje pone alrededor de 300 huevos. Cuando es inseminado por un macho, el número de descendientes puede superar los 1.000. Los hermafroditas no suelen aparearse con otros hermafroditas. A 20 ° C, la cepa de laboratorio de C. elegans (N2) tiene una vida útil promedio de alrededor de 2 a 3 semanas y un tiempo de generación de 3 a 4 días.

C. elegans tiene cinco pares de autosomas y un par de cromosomas sexuales . El sexo en C. elegans se basa en un sistema de determinación del sexo X0 . Los hermafroditas de C. elegans tienen un par de cromosomas sexuales coincidentes (XX); los machos raros tienen un solo cromosoma sexual (X0).

Determinación del sexo

C. elegans son en su mayoría organismos hermafroditas, que producen tanto espermatozoides como ovocitos . [26] Los machos se encuentran en la población en una tasa de aproximadamente 1 de cada 200 hermafroditas, pero los dos sexos están muy diferenciados. [27] [28] Los machos se diferencian de sus homólogos hermafroditas en que son más pequeños y se pueden identificar a través de la forma de su cola. [28] C.elegans se reproduce a través de un proceso llamado androdioecy . Esto significa que pueden reproducirse de dos formas: mediante la autofecundación en hermafroditas o mediante la reproducción de hermafroditas con machos. Los machos se producen a través de la no disyunción de los cromosomas X durante la meiosis. Los gusanos que se reproducen a través de la autofertilización corren el riesgo de un alto desequilibrio de ligamiento, lo que conduce a una menor diversidad genética en las poblaciones y un aumento en la acumulación de alelos deletéreos . [29] En C. elegans , la determinación del sexo somático se atribuye al gen tra-1 . [30] El tra-1 es un gen dentro de la vía de determinación del sexo del factor de transcripción TRA-1 que se regula postranscripcionalmente y funciona promoviendo el desarrollo femenino. [30] En los hermafroditas (XX), hay altos niveles de actividad tra-1 , que produce el sistema reproductor femenino e inhibe el desarrollo masculino. [26] [30] En un momento determinado de su ciclo de vida, un día antes de la edad adulta, los hermafroditas pueden identificarse mediante la adición de una vulva cerca de la cola. En los machos (XO), hay niveles bajos de actividad tra-1 , lo que resulta en un sistema reproductivo masculino. [30] Investigaciones recientes han demostrado que hay otros tres genes, fem-1, fem-2 y fem-3, que regulan negativamente la vía TRA-1 y actúan como el determinante final del sexo en C. elegans . [26]

Evolución

El sistema de determinación del sexo en C. elegans es un tema que ha sido de interés para los científicos durante años. [27] Dado que C. elegans se utiliza como organismo modelo, cualquier información descubierta sobre la forma en que su sistema de determinación del sexo podría haber evolucionado podría promover la misma investigación de biología evolutiva en otros organismos. Después de casi 30 años de investigación, los científicos han comenzado a juntar las piezas de la evolución de dicho sistema. [27] Lo que han descubierto es que hay una vía compleja involucrada que tiene varias capas de regulación. [27] El organismo estrechamente relacionado Caenorhabditis briggsae se ha estudiado extensamente y la secuencia de su genoma completo ha ayudado a juntar las piezas faltantes en la evolución de la determinación del sexo de C. elegans . [27] Se ha descubierto que dos genes se han asimilado, lo que lleva a que las proteínas XOL-1 y MIX-1 también tengan un efecto sobre la determinación del sexo en C. elegans . [27] Las mutaciones en la vía XOL-1 conducen a la feminización en C. elegans. [31] Se sabe que el gen mix-1 hipoactiva el cromosoma X y regula la morfología de la cola masculina en C. elegans. [32] Mirando al nematodo como un todo, el sexo masculino y hermafrodita probablemente evolucionaron a partir de una evolución paralela. [27] La evolución paralela se define como rasgos similares que evolucionan de un antepasado en condiciones similares; En pocas palabras, las dos especies evolucionan de manera similar a lo largo del tiempo. Un ejemplo de esto serían los mamíferos marsupiales y placentarios . Los científicos también han planteado la hipótesis de que la reproducción asexual hermafrodita , o "autofecundación", podría haber evolucionado de manera convergente mediante el estudio de especies similares a C. elegans [27]. Otros estudios sobre la evolución de la determinación del sexo sugieren que los genes que involucran espermatozoides evolucionan a un ritmo más rápido que los genes femeninos. [33] Sin embargo, los genes de los espermatozoides en el cromosoma X tienen tasas de evolución reducidas. Los genes de los espermatozoides tienen secuencias codificantes cortas, un alto sesgo de codones y una representación desproporcionada entre los genes huérfanos. [33] Estas características de los genes de los espermatozoides pueden ser la razón de sus altas tasas de evolución y también pueden sugerir cómo los genes de los espermatozoides evolucionaron a partir de los gusanos hermafroditas. En general, los científicos tienen una idea general de la vía de determinación del sexo en C. elegans , sin embargo, la evolución de cómo surgió esta vía aún no está bien definida.

Desarrollo embriónico

El cigoto fertilizado sufre una hendidura holoblástica rotacional .

La entrada de espermatozoides en el ovocito comienza la formación de un eje anteroposterior. El centro organizador de microtúbulos de los espermatozoides dirige el movimiento del pronúcleo de los espermatozoides hacia el futuro polo posterior del embrión, al mismo tiempo que incita el movimiento de las proteínas PAR , un grupo de factores de determinación citoplasmática, a sus respectivas ubicaciones. [34] Como resultado de la diferencia en la distribución de la proteína PAR, la primera división celular es muy asimétrica . [35] La embriogénesis de C. elegans es uno de los ejemplos mejor comprendidos de división celular asimétrica. [36]

Todas las células de la línea germinal surgen de una sola célula germinal primordial , llamada célula P4 , establecida al principio de la embriogénesis . [37] [38] Esta célula primordial se divide para generar dos precursores de la línea germinal que no se dividen más hasta después de la eclosión. [38]

Formación del eje

Las células hijas resultantes de la primera división celular se denominan célula AB (que contiene PAR-6 y PAR-3) y célula P1 (que contiene PAR-1 y PAR-2). Una segunda división celular produce las células ABp y ABa de la célula AB, y las células EMS y P2 de la célula P1. Esta división establece el eje dorsal-ventral, con la célula ABp formando el lado dorsal y la célula EMS marcando el lado ventral. [39] A través de la señalización Wnt , la célula P2 le indica a la célula EMS que se divida a lo largo del eje anteroposterior. [40] A través de la señalización Notch , la celda P2 especifica diferencialmente las celdas ABp y ABa, lo que define aún más el eje dorsal-ventral. El eje de izquierda a derecha también se hace evidente al principio de la embriogénesis, aunque no está claro exactamente cuándo se determina específicamente el eje. Sin embargo, la mayoría de las teorías del desarrollo del eje LR implican algún tipo de diferencias en las células derivadas de la célula AB. [41]

Gastrulación

La gastrulación ocurre después de que el embrión alcanza la etapa de 24 células. [42] C. elegans es una especie de protostomas , por lo que el blastoporo eventualmente forma la boca. La involución en el blastoporo comienza con el movimiento de las células del endodermo y la formación subsiguiente del intestino, seguido por el precursor de la línea germinal P4 y finalmente las células del mesodermo , incluidas las células que finalmente forman la faringe. La gastrulación finaliza cuando la epibolia de los hipoblastos cierra el blastoporo. [43]

Desarrollo post-embrionario

En condiciones ambientales favorables para la reproducción , las larvas eclosionadas se desarrollan a través de cuatro estadios larvarios - L1, L2, L3 y L4 - en solo 3 días a 20 ° C. Cuando las condiciones están estresadas, como en la insuficiencia alimentaria, la densidad de población excesiva o la temperatura alta, C. elegans puede entrar en una tercera etapa larvaria alternativa, L2d, llamada etapa dauer ( Dauer en alemán significa permanente). Una feromona dauer específica regula la entrada en el estado dauer. Esta feromona está compuesta de derivados similares del 3,6-didesoxi azúcar, ascarilosa . Los ascarósidos, que reciben su nombre de la base ascarylose, están involucrados en muchos comportamientos sociales y específicos del sexo. [44] De esta manera, constituyen un lenguaje químico que C. elegans usa para modular varios fenotipos. Las larvas de Dauer son resistentes al estrés; son delgadas y sus bocas están selladas con una cutícula característica de Dauer y no pueden ingerir alimentos. Pueden permanecer en esta etapa durante unos meses. [45] [46] La etapa termina cuando las condiciones mejoran favorecen un mayor crecimiento de la larva, que ahora muda a la etapa L4, aunque el desarrollo de las gónadas se detiene en la etapa L2. [47]

Cada transición de etapa está marcada por una muda de la cutícula transparente del gusano. Las transiciones a través de estas etapas están controladas por genes de la vía heterocrónica, un conjunto de factores reguladores conservados evolutivamente. [48] Muchos genes heterocrónicos codifican microARN , que reprimen la expresión de factores de transcripción heterocrónicos y otros miARN heterocrónicos. [49] Los miARN se descubrieron originalmente en C. elegans. [50] Los eventos importantes del desarrollo controlados por genes heterocrónicos incluyen la división y fusión sincitial eventual de las células de la costura hipodérmica y su posterior secreción de las alas en adultos jóvenes. Se cree que la vía heterocrónica representa un predecesor evolutivamente conservado de los relojes circadianos . [51]

Algunos nematodos tienen un número fijo de células determinado genéticamente, fenómeno conocido como eutely . El hermafrodita C. elegans adulto tiene 959 células somáticas y el macho 1033 células, [52] [53] [54] aunque se ha sugerido que el número de sus células intestinales puede aumentar de uno a tres en respuesta a los microbios intestinales experimentados. por madres. [55] Gran parte de la literatura describe el número de células en los hombres como 1031, pero el descubrimiento de un par de neuronas MCM izquierda y derecha aumentó el número en dos en 2015. [54] El número de células no cambia después de que cesa la división celular. al final del período larvario, y el crecimiento posterior se debe únicamente a un aumento en el tamaño de las células individuales. [56]

Las diferentes especies de Caenorhabditis ocupan diversos entornos ricos en nutrientes y bacterias. Se alimentan de las bacterias que se desarrollan en la materia orgánica en descomposición ( microbivoria ). El suelo carece de materia orgánica suficiente para sostener poblaciones autosuficientes. C. elegans puede sobrevivir con una dieta de una variedad de bacterias, pero su ecología salvaje es en gran parte desconocida. La mayoría de las cepas de laboratorio se obtuvieron de entornos artificiales como jardines y pilas de compost . Más recientemente, se ha descubierto que C. elegans prospera en otros tipos de materia orgánica, particularmente en frutas en descomposición. [57]
C. elegans también puede utilizar diferentes especies de levadura , incluidas Cryptococcus laurentii y C. kuetzingii , como únicas fuentes de alimento. [58] Aunque es bacterívoro , C. elegans puede ser destruido por una serie de bacterias patógenas, incluidos patógenos humanos como Staphylococcus aureus , [59] Pseudomonas aeruginosa , [60] Salmonella enterica o Enterococcus faecalis . [61]

Los invertebrados como los milpiés , los insectos , los isópodos y los gasterópodos pueden transportar larvas de dauer a varios lugares adecuados. También se ha visto que las larvas se alimentan de sus huéspedes cuando mueren. [62]
Los nematodos pueden sobrevivir a la desecación , y en C. elegans , se ha demostrado que el mecanismo de esta capacidad son proteínas abundantes en embriogénesis tardía . [63]
C. elegans , como otros nematodos, puede ser devorado por nematodos depredadores y otros omnívoros, incluidos algunos insectos. [64]

El virus de Orsay es un virus que afecta a C. elegans , así como al virus Cer1 de Caenorhabditis elegans [65] y al virus Cer13 de Caenorhabditis elegans .

Interacciones con hongos

Los aislados silvestres de Caenorhabditis elegans se encuentran regularmente con infecciones por hongos Microsporidia . Una de esas especies, Nematocida parisii , se replica en los intestinos de C. elegans . [66]

Arthrobotrys oligospora es el organismo modelo para las interacciones entre hongos y nematodos. [67] Es el hongo capturador de nematodos más común y extendido.

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Divisiones celulares asimétricas durante la embriogénesis temprana de C. elegans de tipo salvaje

En 1963, Sydney Brenner propuso utilizar C. elegans como organismo modelo para la investigación principalmente del desarrollo neuronal en animales. Es uno de los organismos más simples con sistema nervioso . Las neuronas no disparan potenciales de acción y no expresan ningún canal de sodio dependiente de voltaje . [68] En el hermafrodita, este sistema comprende 302 neuronas [69] cuyo patrón se ha cartografiado de forma exhaustiva, en lo que se conoce como conectoma , y se ha demostrado que es una red de mundo pequeño . [70]

La investigación ha explorado los mecanismos neuronales y moleculares que controlan varios comportamientos de C. elegans , incluida la quimiotaxis , termotaxis , mecanotransducción , aprendizaje , memoria y comportamiento de apareamiento . [71] En 2019, el conectoma del macho se publicó utilizando una técnica distinta a la utilizada para el hermafrodita. El mismo artículo utilizó la nueva técnica para rehacer el conectoma hermafrodita, encontrando 1.500 nuevas sinapsis. [72]

Se ha utilizado como organismo modelo para estudiar los mecanismos moleculares en enfermedades metabólicas. [73] Brenner también lo eligió porque es fácil de cultivar en grandes poblaciones y conveniente para el análisis genético. [74] Es un organismo eucariota multicelular , pero lo suficientemente simple como para ser estudiado con gran detalle. La transparencia de C. elegans facilita el estudio de la diferenciación celular y otros procesos de desarrollo en el organismo intacto. Las espículas del macho distinguen claramente a los machos de las hembras. Las cepas son baratas de reproducir y pueden congelarse. Cuando se descongelan posteriormente, siguen siendo viables, lo que permite un almacenamiento a largo plazo. [13] El mantenimiento es fácil en comparación con otros organismos modelo multicelulares. Se pueden mantener unos cientos de nematodos en una sola placa de agar y en un medio de cultivo adecuado. Brenner describió el uso de un mutante de E. coli - OP50. OP50 es un organismo que requiere uracilo y su deficiencia en la placa previene el crecimiento excesivo de bacterias que oscurecerían los gusanos. [75] El uso de OP50 no exige ninguna medida importante de seguridad de laboratorio, ya que no es patógeno y se cultiva fácilmente en el medio Luria-Bertani (LB) durante la noche. [76]

Hallazgos notables

Se ha cartografiado el destino del desarrollo de cada una de las células somáticas (959 en el hermafrodita adulto; 1031 en el macho adulto). [77] [78] Estos patrones de linaje celular son en gran parte invariantes entre los individuos, mientras que en los mamíferos, el desarrollo celular depende más de las señales celulares del embrión.

Como se mencionó anteriormente, las primeras divisiones celulares de la embriogénesis temprana en C. elegans se encuentran entre los ejemplos mejor entendidos de divisiones celulares asimétricas , y el gusano es un sistema modelo muy popular para estudiar la biología del desarrollo. [36]

La muerte celular programada ( apoptosis ) elimina muchas células adicionales (131 en el hermafrodita, la mayoría de las cuales de otro modo se convertirían en neuronas ); esta "predictibilidad apoptótica" ha contribuido al esclarecimiento de algunos genes apoptóticos . Se han identificado genes promotores de la muerte celular y un único inhibidor de la muerte celular. [79]

Hermafrodita de C. elegans de tipo salvaje teñida con el tinte fluorescente Texas Red para resaltar los núcleos de todas las células

La interferencia de ARN (ARNi) es un método relativamente sencillo de alterar la función de genes específicos. Silenciar la función de un gen a veces puede permitir a un investigador inferir su posible función. El nematodo puede empaparse, inyectarse [80] o alimentarse con bacterias transformadas genéticamente que expresan el ARN bicatenario de interés, cuya secuencia complementa la secuencia del gen que el investigador desea inhabilitar. [81] RNAi ha surgido como una herramienta poderosa en el estudio de la genómica funcional. C. elegans se ha utilizado para analizar las funciones de los genes y reclamar la promesa de futuros hallazgos en las interacciones genéticas sistemáticas. [82]

La captación de ARNi ambiental es mucho peor en otras especies de gusanos del género Caenorhabditis . Aunque la inyección de ARN en la cavidad corporal del animal induce el silenciamiento génico en la mayoría de las especies, solo C. elegans y algunos otros nematodos relacionados lejanamente pueden absorber ARN de las bacterias que ingieren para obtener ARNi. [83] Esta capacidad ha sido asignada a un solo gen, sid-2 , que, cuando se inserta como un transgén en otras especies, les permite tomar ARN para ARNi como lo hace C. elegans . [84]

La investigación sobre la meiosis se ha simplificado considerablemente ya que cada núcleo de células germinales se encuentra en la misma posición dada a medida que desciende por la gónada, por lo que se encuentra en la misma etapa de la meiosis. En una fase temprana de la meiosis, los ovocitos se vuelven extremadamente resistentes a la radiación y esta resistencia depende de la expresión de los genes rad51 y atm que tienen roles clave en la reparación recombinacional. [85] [86] El gen mre-11 también juega un papel crucial en la reparación recombinacional del daño del ADN durante la meiosis. [87] Un estudio de la frecuencia de cruzamiento en poblaciones naturales mostró que la autofecundación es el modo de reproducción predominante en C. elegans , pero que los eventos de cruzamiento poco frecuentes ocurren a una tasa de alrededor del 1%. [88] Es poco probable que las meiosis que dan como resultado la autofecundación contribuyan significativamente a la variabilidad genética beneficiosa, pero estas meiosis pueden proporcionar el beneficio adaptativo de la reparación recombinacional de los daños del ADN que surgen, especialmente en condiciones estresantes. [89]

La dependencia de la nicotina también se puede estudiar usando C. elegans porque exhibe respuestas de comportamiento a la nicotina que son paralelas a las de los mamíferos. Estas respuestas incluyen respuesta aguda, tolerancia, abstinencia y sensibilización. [90]

Como para la mayoría de los organismos modelo, los científicos que trabajan en el campo conservan una base de datos en línea dedicada y WormBase es la de C. elegans . WormBase intenta recopilar toda la información publicada sobre C. elegans y otros nematodos relacionados. Su sitio web ha anunciado una recompensa de $ 4000 para el buscador de una nueva especie de nematodo estrechamente relacionado. [91] Tal descubrimiento ampliaría las oportunidades de investigación con el gusano. [92]

C. elegans ha sido un organismo modelo para la investigación del envejecimiento ; por ejemplo, se ha demostrado que la inhibición de una vía de señalización del factor de crecimiento similar a la insulina aumenta tres veces la esperanza de vida de un adulto; [93] [94] mientras que la alimentación con glucosa promueve el estrés oxidativo y reduce la esperanza de vida adulta a la mitad. [73] La capacidad de reparar el daño del ADN mediante el proceso de reparación por escisión de nucleótidos disminuye con la edad. [95] Además, C. elegans expuesta a cloruro de litio (LiCl) 5 mM mostró una mayor esperanza de vida. [96] Cuando se expuso a LiCl 10 μM, se observó una reducción de la mortalidad, pero no con 1 μM. [97]

C. elegans ha sido fundamental en la identificación de las funciones de genes implicados en la enfermedad de Alzheimer , como la presenilina . [98] Además, una extensa investigación sobre C. elegans ha identificado a las proteínas de unión al ARN como factores esenciales durante la línea germinal y el desarrollo embrionario temprano. [99]

C. elegans es notable en los estudios del sueño en animales como el organismo más primitivo que muestra estados similares al sueño. En C. elegans , se produce una fase de letargo poco antes de cada muda . [100] También se ha demostrado que C. elegans duerme después de la exposición al estrés físico, incluido el choque térmico, la radiación ultravioleta y las toxinas bacterianas. [101]

Si bien el gusano no tiene ojos, se ha descubierto que es sensible a la luz debido a un tercer tipo de proteína fotorreceptora animal sensible a la luz , LITE-1 , que es de 10 a 100 veces más eficiente para absorber la luz que los otros dos tipos de fotopigmentos ( opsinas y criptocromos ) que se encuentran en el reino animal. [102]

C. elegans es notablemente hábil para tolerar la aceleración. Puede soportar 400.000 g , según genetistas de la Universidad de São Paulo en Brasil. En un experimento, el 96% de ellos seguían vivos sin efectos adversos después de una hora en una ultracentrífuga. [103]

Investigación sobre vuelos espaciales

C. elegans fue noticia cuando se descubrió que los especímenes habían sobrevivido al desastre del transbordador espacial Columbia en febrero de 2003. [104] Más tarde, en enero de 2009, se anunció que las muestras vivas de C. elegans de la Universidad de Nottingham pasarían dos semanas en el La Estación Espacial Internacional ese octubre, en un proyecto de investigación espacial para explorar los efectos de la gravedad cero en el desarrollo muscular y la fisiología. La investigación se centró principalmente en la base genética de la atrofia muscular , que se relaciona con los vuelos espaciales o el estar postrado en cama, ser geriátrico o diabético . [105] Los descendientes de los gusanos a bordo de Columbia en 2003 fueron lanzados al espacio en Endeavour para la misión STS-134 . [106] A partir de diciembre de 2018 se llevarán a cabo experimentos adicionales sobre distrofia muscular durante los vuelos espaciales a bordo de la EEI. [107] [ necesita actualización ]

Genoma

Información genómica
Karyotype of Caenorhabditis elegans.png
Cariotipo de C. elegans explicación de colores Cromosomas mitóticos de Caenorhabditis elegans. ADN (rojo) / Cinetocoros (verde). Los organismos holocéntricos , incluido C. elegans , ensamblan cinetocoros difusos a lo largo de toda la cara hacia el polo de cada cromátida hermana.
Identificación del genoma NCBI41
Ploidíadiploide
Tamaño del genoma101.169 Mb (haploide)
Numero de cromosomas5 pares de autosomas (I, II, III, IV y V) + 1 o 2 cromosomas sexuales (X [108] )
Año de finalización1998
Orgánulo secuenciadomitocondria
Tamaño del orgánulo0,01 Mb
C. elegans hermafrodita

C. elegans fue el primer organismo multicelular en tener secuenciado todo su genoma . La secuencia se publicó en 1998, [109] aunque se observaron algunas pequeñas lagunas; la última brecha se terminó en octubre de 2002.

Tamaño y contenido genético

El genoma de C. elegans tiene aproximadamente 100 millones de pares de bases de largo y consta de seis pares de cromosomas en hermafroditas o cinco pares de autosomas con cromosoma XO en C.elegans masculinos y un genoma mitocondrial . Su densidad de genes es de aproximadamente un gen por cada cinco pares de kilo-bases . Los intrones constituyen el 26% y las regiones intergénicas el 47% del genoma. Muchos genes están organizados en grupos y no está claro cuántos de estos son operones . [110] C. elegans y otros nematodos se encuentran entre los pocos eucariotas actualmente conocidos por tener operones; estos incluyen tripanosomas , gusanos planos (en particular, el trematodo Schistosoma mansoni ) y un tunicado cordado primitivo Oikopleura dioica . Es probable que se demuestre que muchos más organismos tienen estos operones. [111]

El genoma contiene un estimado de 20.470 proteínas -coding genes . [112] Aproximadamente el 35% de los genes de C. elegans tienen homólogos humanos . Sorprendentemente, se ha demostrado repetidamente que los genes humanos reemplazan a sus homólogos de C. elegans cuando se introducen en C. elegans . Por el contrario, muchos genes de C. elegans pueden funcionar de manera similar a los genes de mamíferos. [45]

El número de genes de ARN conocidos en el genoma ha aumentado considerablemente debido al descubrimiento en 2006 de una nueva clase llamada genes de ARN 21U , [113] y ahora se cree que el genoma contiene más de 16,000 genes de ARN, frente a tan solo 1300. en 2005. [114]

Los curadores científicos continúan evaluando el conjunto de genes conocidos; Se siguen agregando nuevos modelos de genes y se modifican o eliminan los incorrectos.

La secuencia del genoma de C. elegans de referencia continúa cambiando a medida que nuevas pruebas revelan errores en la secuenciación original. La mayoría de los cambios son menores, agregando o quitando solo unos pocos pares de bases de ADN. Por ejemplo, la versión WS202 de WormBase (abril de 2009) agregó dos pares de bases a la secuencia del genoma. [115] A veces, se realizan cambios más extensos como se indica en la publicación WS197 de diciembre de 2008, que agregó una región de más de 4.300 pb a la secuencia. [116] [117]

Genomas relacionados

En 2003, también se determinó la secuencia del genoma del nematodo relacionado C. briggsae , lo que permitió a los investigadores estudiar la genómica comparativa de estos dos organismos. [118] Las secuencias del genoma de más nematodos del mismo género , por ejemplo, C. remanei , [119] C. japonica [120] y C. brenneri (llamado así por Brenner), también se han estudiado utilizando la técnica de secuenciación de escopeta . [121] Estas secuencias ya se han completado. [122] [123]

Otros estudios genéticos

Adulto de C. elegans con secuencia codificante de GFP insertada en un gen que codifica histonas mediante recombinación homóloga activada por Cas9

A partir de 2014, C. elegans es la especie más basal en el grupo 'Elegans' (10 especies) del supergrupo 'Elegans' (17 especies) en estudios filogenéticos. Forma una rama propia distinta a cualquier otra especie del grupo. [124]

El transposón Tc1 es un transposón de ADN activo en C. elegans .

En 2002, el Premio Nobel de Fisiología o Medicina fue otorgado a Sydney Brenner , H. Robert Horvitz y John Sulston por su trabajo sobre la genética del desarrollo de órganos y la muerte celular programada en C. elegans . El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2006 fue otorgado a Andrew Fire y Craig C. Mello por su descubrimiento de la interferencia de ARN en C. elegans . [125] En 2008, Martin Chalfie compartió el Premio Nobel de Química por su trabajo sobre la proteína verde fluorescente ; parte de la investigación involucró el uso de C. elegans .

Muchos científicos que investigan C. elegans se relacionan estrechamente con Sydney Brenner, con quien casi todas las investigaciones en este campo comenzaron en la década de 1970; han trabajado como investigador de posdoctorado o posgrado en el laboratorio de Brenner o en el laboratorio de alguien que trabajó anteriormente con Brenner. La mayoría de los que trabajaron en su laboratorio establecieron posteriormente sus propios laboratorios de investigación de gusanos, creando así un "linaje" bastante bien documentado de científicos de C. elegans , que se registró en la base de datos de WormBase con cierto detalle en la Reunión Internacional de Gusanos de 2003. [126]

  • Ensayos con animales en invertebrados
  • Bioluminiscencia
  • Eileen Southgate
  • OpenWorm
  • Libro de gusanos

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  • WormAtlas : base de datos en línea sobre todos los aspectos de la anatomía de C. elegans con explicaciones detalladas e imágenes de alta calidad
  • WormBook - revisión en línea de la biología de C. elegans
  • AceView WormGenes : otra base de datos del genoma de C. elegans , mantenida en el NCBI
  • C. elegans II - un libro de texto en línea gratuito.
  • WormWeb Neural Network : una herramienta en línea para visualizar y navegar por el conectoma de C. elegans
  • Películas de C. elegans : una introducción visual a C. elegans
  • Vea el ensamblaje del genoma ce11 en UCSC Genome Browser .
  • Caenorhabditis elegans en eppo.int ( código EPPO CAEOEL)