Caenorhabditis elegans — malliorganismi, genomi ja kehitys
Caenorhabditis elegans on sukkulamatolaji, joka on tutkimuksen kannalta poikkeuksellisen merkittävä, koska sen genetiikkaa ja kehitystä on tutkittu laajasti. C. elegans on noin 1 mm pitkä, läpinäkyvä ja kooltaan hyvin pieni, mikä tekee siitä helpon mikroskopoitavan. Nämä madot eivät ole loisia, vaan elävät vapaasti maaperässä ja kompostissa, ja ne syövät pääasiassa bakteereja. Hermatofrodiitilla on tyypillisesti 959 somaattista solua aikuiseen yksilöön laskettuna ja hermosto koostuu noin 302 hermosolusta; urosyksilöillä somaattisia soluja on enemmän (noin 1031).
Elinkierto, lisääntyminen ja käyttäytyminen
C. elegansilla on kaksi sukupuolta: hermafrodiitti ja uros. Hermafrodiitit kykenevät itsehedelmöittymään: ne tuottavat siittiöitä toukka- eli larva-vaiheessa ja myöhemmin munasoluja aikuisvaiheessa, joten ne voivat synnyttää jälkeläisiä ilman parittelua. Urokset tuottavat ainoastaan siittiöitä ja voivat paritella hermafrodiittien kanssa lisäten genetiikan monimuotoisuutta. Urokset ovat yleensä hieman pienempiä kuin hermafrodiitit. Lisääntymiskyvyn ja elinkiertonsa ansiosta C. elegans on erinomainen aineisto perinnöllisyystutkimuksiin ja geenimutanttien fenotyypin kartoittamiseen.
Kehitys ja laboratorio-olosuhteet
C. elegansin kehitys on nopea ja hyvin toistettavissa laboratorio-olosuhteissa, minkä vuoksi laji on suosittu malliorganismi. Sydney Brenner aloitti lajin tutkimuksen 1960-luvulla juuri sen yksinkertaisuuden ja helpon kasvatettavuuden vuoksi. Niitä on helppo pitää elossa laboratorioissa, esimerkiksi kasvattamalla niitä agar-alustoilla tarjoamalla ravinnoksi E. coli -bakteerikantaa (esim. OP50). Lämpötila vaikuttaa kehityksen nopeuteen: alkiona kehittyminen kestää nopeasti esimerkiksi noin 14 tuntia 25 ºC:ssa (alkiona), ja munasta aikuiseksi koituvat olennot kehittyvät tyypillisesti muutamassa päivässä lämpötilasta riippuen. Elämäkierrossa on neljä larvaaliukua (L1–L4) ja stressiolosuhteissa laji voi siirtyä kestävään dauer-vaiheeseen, joka mahdollistaa selviytymisen epäsuotuisissa oloissa. C. elegans voidaan myös pakastaa pitkäaikaissäilytystä varten, mikä helpottaa kantakantojen ylläpitoa.
Genomi, solulinja ja tutkimusmenetelmät
C. elegans oli ensimmäinen monisoluinen organismi, jonka koko genomin sekvensointi saatiin valmiiksi; genomin analysointi avasi mahdollisuuden järjestelmällisiin geenitutkimuksiin. Genomi on kooltaan noin 100 miljoonaa emäsparia ja siinä on kymmeniä tuhansia geenejä (arvio noin 20 000 proteiinia koodaavaa geeniä). Lisäksi laji on läpinäkyvä, joten tutkijat voivat seurata solu- ja kudoskehitystä elävän yksilön tasolla ja käyttää biologisia merkkiaineita kuten GFP:tä soluaktiviteetin ja geeniekspression tutkimiseen. Koko yksilön solu- ja kehityslinja on kartoitettu, ja tämä solulinjan täydellinen tuntemus on yksi syy lajin arvokkuuteen kehitysbiologian tutkimuksessa.
Menetelmällisesti C. elegans on ollut avainasemassa myös monissa teknisissä läpimurroissa: lajin avulla on kehitetty ja sovellettu mutaatiokartoitusta, RNA-interferenssiä (RNAi), lähetti-RNA:han liittyviä menetelmiä sekä korkean läpimenon (high-throughput) näytteenottoja ja kemiallisia näytteenottoja (esim. lääke- tai geeniskriinaukset). Näin C. elegans on ollut tärkeä tutkimusalusta solusignaloinnin, hermoston toiminnan, ikääntymisen ja soluohjatun kuoleman mekanismien (apoptoosi) ymmärtämiselle.
Historia ja tunnustukset
Sydney Brenner oli keskeinen hahmo lajin malliorganismikäytön kehityksessä 1960-luvulta lähtien. Myöhemmin lajin tutkimus johti merkittäviin tieteellisiin löydöksiin: esimerkiksi John Sulstonin työ solulinjan kartoittamisessa ja yhdessä Robert Horvitzin kanssa suoritettu tutkimus ohjelmoituneesta solukuolemasta loivat perustan ymmärrykselle siitä, miten yksittäiset geenit ohjaavat kehitystä ja miten osa yksilön soluista määräytyy kuolemaan kehityksen aikana. Näistä saavutuksista myönnettiin vuonna 2002 lääketieteen Nobel-palkinto Sydney Brennerille, Robert Horvitzille ja John Sulstonille.
Yhteenveto: C. elegans on pienikokoinen, nopeasti kehittyvä ja helposti kasvatettava malliorganismi, jonka genetiikka, kehitys ja solutason ilmiöt ovat tehneet siitä keskeisen työkalun biotieteissä. Sen avulla on saatu perustavaa tietoa niin kehitysbiologiasta, hermostosta, ikääntymisestä kuin solukuolemankin mekanismeista, ja tieto on vaikuttanut laajasti molekyylibiologiaan ja lääketieteeseen.
Pyörömato
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Caenorhabditis elegans?
V: Caenorhabditis elegans on pyörömato- tai sukkulamatolaji.
K: Miksi C. elegans on tärkeä?
V: C. elegans on tärkeä, koska sen genetiikkaa ja kehitystä on tutkittu paljon, mikä tekee siitä malliorganismin, jota käytetään eläinten kehityksen ja käyttäytymisen tutkimiseen. Se oli myös ensimmäinen monisoluinen organismi, jonka koko genomin tutkijat pystyivät sekvensoimaan.
Kysymys: Kuinka suuria C. elegansin madot ovat?
V: C. elegans -madot ovat noin 1 mm pitkiä.
K: Ovatko ne loisia?
V: Ei, ne ovat vapaasti eläviä organismeja, jotka elävät maaperässä ja syövät bakteereja.
K: Minkälaista sukupuolta C. elegansilla on?
V: C. elegansilla on kahdenlaista sukupuolta - hermafrodiittia ja urosta - urokset ovat hieman pienempiä kuin hermafrodiitit. Hermafrodiitit tuottavat siittiöitä toukkavaiheessa ja munasoluja aikuisvaiheessa, kun taas urokset voivat tuottaa vain siittiöitä.
K: Kuka aloitti tutkimuksen C.?elegansin avulla?
V: Tutkimuksen C. elegansin avulla aloitti vuonna 1965 Sydney Brenner, joka myöhemmin voitti lääketieteen Nobel-palkinnon työstään, jossa hän selvitti, miten madon geenit saavat sen kasvamaan ja saavat osan sen soluista kuolemaan vuonna 2002 yhdessä Robert Horvitzin ja John Sulstonin kanssa.
K: Miksi C.?elegansin kaltaiset eläimet ovat hyviä organismeja tutkimukseen?
V: C.elegansin kaltaiset eläimet, joiden kasvu ei kestä kauan ja joita on helppo ruokkia, ovat yleensä hyviä organismeja tutkimukseen, koska ne voidaan helposti pitää elossa laboratorioissa 25ºC:n lämpötilassa, jossa ne viettävät alkiona 14 tuntia.
