發(fā)布時(shí)間：2022-05-19
“聽(tīng)說(shuō)你是研究神經(jīng)科學(xué)的，一定很炫酷吧？”
“實(shí)際上…我每天都在養(yǎng)蟲(chóng)子，線蟲(chóng)?！?/p>
“養(yǎng)蟲(chóng)子？？？（告辭）”
“你不想知道奇奇怪怪的養(yǎng)蟲(chóng)小知識(shí)嘛？它是像線一樣的小蟲(chóng)子嗎？它吃什么？它住哪里？做實(shí)驗(yàn)時(shí)需要用手抓嗎……別走呀！來(lái)認(rèn)識(shí)一下這位科研之友嘛！”
高能預(yù)警：線蟲(chóng)玉照有些掉san哦。
你還是不要看了吧？
非要看？
破解生命奧秘的功臣
別看線蟲(chóng)其貌不揚(yáng)，它可是科學(xué)研究中常用的模式生物之一，立下了“赫赫戰(zhàn)功”，比如：
用線蟲(chóng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)研究調(diào)節(jié)器官發(fā)育及細(xì)胞程序化死亡的基因，且發(fā)現(xiàn)這種基因在人體中也存在，這一成果獲得了2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
2006年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)頒發(fā)給了安德魯·法厄和克雷格·梅洛，他們闡明了線蟲(chóng)的RNA干擾機(jī)制。
馬丁·查爾菲將線蟲(chóng)應(yīng)用在綠色熒光蛋白的研究中，獲得了2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
此外，線蟲(chóng)也是第一個(gè)完成全基因組測(cè)序的多細(xì)胞生物，第一個(gè)解析連接組（神經(jīng)元之間連接溝通關(guān)系）的生物體，現(xiàn)在研究火熱的microRNA也是在線蟲(chóng)中首先被發(fā)現(xiàn)并開(kāi)展功能研究。另外，第一個(gè)壽命調(diào)控通路-胰島素樣信號(hào)通路也是在線蟲(chóng)中首次被發(fā)現(xiàn)。
近些年，筆者所在的研究所也利用線蟲(chóng)，篩選能夠調(diào)控健康衰老的基因及其相關(guān)通路，以期解答個(gè)體之間衰老速率差異的原因，尋找衰老調(diào)控的機(jī)制，發(fā)掘更多衰老的奧秘。
為什么不同人衰老速率不一樣呢？最近的研究顯示，“RGBA-1神經(jīng)肽-NPR-28受體”通路上基因的遺傳變異在其中起了一定的作用，一點(diǎn)小小的變異就影響了該通路的活性，造就了不同線蟲(chóng)不一樣的衰老歷程。
RGBA-1-NPR-28通路遺傳變異影響個(gè)體衰老速率
圖片來(lái)源：Yin JA. et al., 2017, Nature.
另外，關(guān)于我們?yōu)槭裁措S著時(shí)間推移慢慢會(huì)衰老，篩選也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)隨著年齡增長(zhǎng)在體內(nèi)累積表達(dá)的表觀遺傳調(diào)控因子BAZ2B，阻斷其積累會(huì)對(duì)一系列行為退化產(chǎn)生改善。
阻斷BAZ2B隨時(shí)間的累積可以延緩衰老相關(guān)功能退化
圖片來(lái)源：Yuan J. et al., 2020, Nature.
你好，正式認(rèn)識(shí)一下
教科書(shū)里一般都會(huì)寫(xiě)到，線蟲(chóng)體型小，大小只有1mm，易于實(shí)驗(yàn)室大規(guī)模飼養(yǎng)；并且通體透明易于實(shí)驗(yàn)觀察；遺傳信息簡(jiǎn)單，生命周期短，易于實(shí)驗(yàn)操作。
嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，我們通常提及的模式生物線蟲(chóng)，學(xué)名為秀麗隱桿線蟲(chóng)，英文C.elegans (Caenorhabditis elegans)，歸屬于線蟲(chóng)門(mén)下的小桿線蟲(chóng)屬。所以說(shuō)不是土壤中隨便見(jiàn)到的長(zhǎng)得像線一樣細(xì)長(zhǎng)的小蟲(chóng)子就是實(shí)驗(yàn)室里使用的哦~
“秀麗”來(lái)源于它名字中的elegans（優(yōu)雅，elegance），這是1900首次發(fā)現(xiàn)它的法國(guó)學(xué)者émile Maupas為它賦予的標(biāo)識(shí)，據(jù)說(shuō)是因?yàn)樗?/span>優(yōu)美的運(yùn)動(dòng)曲線。
自由運(yùn)動(dòng)的線蟲(chóng)
圖片來(lái)源：維基百科
正弦曲線代表它來(lái)過(guò)
秀麗線蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，呈現(xiàn)出正弦形狀。這是由線蟲(chóng)腹部與背部?jī)蓚?cè)肌肉的規(guī)律性收縮造成的。
線蟲(chóng)走過(guò)的路像不像波浪線呢
圖片來(lái)源：必應(yīng)
可以通俗地說(shuō)，它的“人生旅程”就是在一路畫(huà)波浪線。當(dāng)然，這條波浪線不是一路畫(huà)到天涯海角，畢竟實(shí)驗(yàn)室里線蟲(chóng)的小家，可就只有一個(gè)培養(yǎng)皿的大小。
在這個(gè)小家里，線蟲(chóng)畫(huà)出的波浪線彎彎曲曲，錯(cuò)綜復(fù)雜。因?yàn)樗鼤?huì)碰壁，不回頭就會(huì)掛；也會(huì)碰到線蟲(chóng)伙伴們，寒暄過(guò)后便忘記來(lái)時(shí)的方向；還會(huì)為了探索這神奇的一方世界而四處尋尋覓覓兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)……
大鍋飯頓頓造
秀麗線蟲(chóng)吃細(xì)菌，對(duì)人無(wú)害。實(shí)驗(yàn)室會(huì)在培養(yǎng)皿里培養(yǎng)特定的大腸桿菌（通常為OP50品系），然后將線蟲(chóng)轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿上喂養(yǎng)。所有的線蟲(chóng)們共同搶食一片細(xì)菌領(lǐng)地，好不熱鬧。借助線蟲(chóng)吃細(xì)菌的這個(gè)特點(diǎn)，有時(shí)候?qū)嶒?yàn)員們會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求給線蟲(chóng)提供不一樣的“大鍋飯”，換換口味。
比如說(shuō)我們要對(duì)線蟲(chóng)的基因表達(dá)進(jìn)行操縱。就可以先讓線蟲(chóng)的食物大腸桿菌帶上一些特定的基因元件，等到線蟲(chóng)吃到肚子里后，這些元件就會(huì)對(duì)線蟲(chóng)產(chǎn)生作用，從而實(shí)現(xiàn)基因操縱的目的。線蟲(chóng)們永遠(yuǎn)也想不到，只是吃了新口味的飯，卻可能改變了自己的一生…
食物（E. coli, 大腸桿菌）充足的培養(yǎng)板
圖片來(lái)源：WormBook
每天都能住空調(diào)房
進(jìn)行線蟲(chóng)培養(yǎng)的科研人員們，相比于其他模式生物使用者而言多享受了一個(gè)福利——可以沾線蟲(chóng)的光擁有冬暖夏涼的空調(diào)房！
秀麗線蟲(chóng)的培養(yǎng)溫度在16℃到25℃之間。為了規(guī)范世界各地線蟲(chóng)研究的一致性，普通線蟲(chóng)一般采用20℃的適宜溫度，除非有一些溫度敏感型或基因缺陷的線蟲(chóng)需要特定的溫度飼養(yǎng)。
在20℃時(shí)，常用的野生型秀麗線蟲(chóng)N2品系經(jīng)歷3天半就可以性成熟，成年之后大約18天“人生”就畫(huà)上了句號(hào)。溫度較低時(shí)線蟲(chóng)的生長(zhǎng)速度減緩，壽命會(huì)延長(zhǎng)；高溫時(shí)線蟲(chóng)生長(zhǎng)速度加快，生命的長(zhǎng)度也隨之縮短。
為了維持這樣的環(huán)境，僅僅為線蟲(chóng)提供20℃的恒溫培養(yǎng)箱還不夠。實(shí)驗(yàn)人員操作的整個(gè)室內(nèi)環(huán)境，都需要控制溫度在20℃的條件，以避免溫度波動(dòng)影響線蟲(chóng)表型觀察與假設(shè)驗(yàn)證。
線蟲(chóng)的培養(yǎng)箱設(shè)定
圖片來(lái)源：作者提供
沒(méi)有爸爸，也能快速繁殖
秀麗線蟲(chóng)不愧是實(shí)驗(yàn)室常用的低等動(dòng)物模型，短短3天就能從卵發(fā)育到性成熟，此后就開(kāi)始產(chǎn)卵擁有自己的孩子們，子子孫孫無(wú)窮盡也。
不過(guò)，你知道嗎，線蟲(chóng)寶寶們一般都沒(méi)有爸爸。秀麗線蟲(chóng)的性別機(jī)制比較獨(dú)特，不像一般的動(dòng)物是雌性和雄性，它們擁有雌雄同體和雄性兩種性別。
顯微鏡下兩種性別的線蟲(chóng)（你能分辨出來(lái)它們有何不同嗎？）
圖片來(lái)源：作者提供
雌雄同體有多獨(dú)特呢，真是應(yīng)了那句話，“既當(dāng)?shù)之?dāng)媽”。它同時(shí)擁有卵子和精子兩種生殖細(xì)胞，生娃完全可以獨(dú)立完成。
雌雄同體的生殖器官可以看做一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的管道。到了適育年齡，它的生殖細(xì)胞開(kāi)始成熟，其中精子先變成“成熟的模樣”，就在前方等待著卵子。卵子從遠(yuǎn)處出發(fā)，在雌雄同體體內(nèi)獨(dú)自經(jīng)過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的旅程，見(jiàn)過(guò)無(wú)數(shù)的風(fēng)景，越來(lái)越成熟。在經(jīng)過(guò)精子所在的領(lǐng)地時(shí)發(fā)生受精，變成受精卵后接受了新的使命。受精卵擁有來(lái)到外部世界的通行證，它默默地積蓄力量，變成一顆顆成熟的卵探出頭來(lái)。
雌雄同體線蟲(chóng)的生殖過(guò)程，藍(lán)色箭頭所示為卵子成熟過(guò)程的旅程，黃色箭頭所示為卵子途徑精巢發(fā)生受精，綠色箭頭所示為受精卵由單細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)行胚胎發(fā)育，從子宮內(nèi)產(chǎn)出。（左右兩側(cè)胚胎形成過(guò)程對(duì)稱）
圖片來(lái)源：修改自WormAtlas
也是因?yàn)檫@樣，實(shí)驗(yàn)室如果沒(méi)有特殊的實(shí)驗(yàn)需求，只需要養(yǎng)著雌雄同體就行了，雄性似乎顯得有點(diǎn)多余。畢竟一只健康的雌雄同體線蟲(chóng)短短幾天就可以生300多顆卵，走到哪兒生到哪兒，實(shí)驗(yàn)材料取之不盡用之不竭。
雌雄同體線蟲(chóng)生出來(lái)的會(huì)是什么性別的后代呢？這就涉及到性染色體的組成。我們?nèi)祟惖男匀旧w為女性XX，男性XY。線蟲(chóng)雌雄同體的性染色體為XX，雄性的性染色體就只有一個(gè)X。因此，雌雄同體因?yàn)槁炎雍途訑y帶的性染色體都是X，所以受精之后生出來(lái)的還是雌雄同體XX。只有極少數(shù)的情況下，染色體分離時(shí)發(fā)生失誤導(dǎo)致其中一個(gè)生殖細(xì)胞沒(méi)有分到X，才會(huì)自發(fā)產(chǎn)生雄性后代。
所以，雖然沒(méi)有爸爸，線蟲(chóng)們還是能夠獨(dú)自完成生育，偶爾也會(huì)為種群添幾個(gè)男丁。
線蟲(chóng)和一顆顆卵寶寶們（圖中一個(gè)個(gè)黑色的小點(diǎn)）
圖片來(lái)源：必應(yīng)
鉑金才配給它搬家？
實(shí)驗(yàn)室的小鼠一般可以直接用手抓，線蟲(chóng)只有區(qū)區(qū)1mm，就像一個(gè)短線頭，需要在顯微鏡下才能看清楚，用手抓實(shí)在有點(diǎn)強(qiáng)人所難了。當(dāng)我們需要轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)室里的線蟲(chóng)，給它們挪窩的時(shí)候，鉑金絲針或眉毛針是不錯(cuò)的選擇。
線蟲(chóng)生活在飼養(yǎng)了大腸桿菌的培養(yǎng)基上，所以每次挑取線蟲(chóng)的裝備都需要滅菌防止培養(yǎng)基污染。鉑金絲材料加熱和冷卻都很快，酒精燈上灼燒滅菌之后就可以用來(lái)挑取線蟲(chóng)，也不用擔(dān)心燙到我們?nèi)崛醯南x(chóng)子。短短的鉑金絲，尖端是壓扁的，像艘小船，線蟲(chóng)就乘著這艘“小船”，駛向新的未知港灣。
挑線蟲(chóng)的鉑金絲針和眉毛針
圖片來(lái)源：作者提供
除了鉑金絲，眉毛或者頭發(fā)也可以用來(lái)挑取線蟲(chóng)，但是因?yàn)樗容^軟易損耗，而且搭載蟲(chóng)子的量也不多，使用上有一些限制。
“冰河世紀(jì)”照樣活
線蟲(chóng)和果蠅、小鼠這樣的模式生物不同。把整條蟲(chóng)子凍在液氮（-196℃）或者-80℃冰箱中，保存幾年之后照樣可能復(fù)蘇。
早在1974年Sydney Brenner發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。和體外培養(yǎng)細(xì)胞的凍存類似，線蟲(chóng)這個(gè)多細(xì)胞生物的凍存也需要準(zhǔn)備凍存緩沖液，并且對(duì)于線蟲(chóng)的發(fā)育時(shí)期和數(shù)量還有一定的要求。只有這樣才能保證最后復(fù)蘇的效率，即使在這個(gè)過(guò)程中大量的蟲(chóng)子都會(huì)殞命。
冰封在-80℃超低溫冰箱中的線蟲(chóng)們
圖片來(lái)源：作者提供
頂不住了，先躺平吧
雖說(shuō)線蟲(chóng)比較低等，但它也有“小聰明”。正常線蟲(chóng)發(fā)育過(guò)程中，從卵孵化出來(lái)之后，會(huì)經(jīng)歷四個(gè)幼蟲(chóng)期（L1－L4），每一次時(shí)期轉(zhuǎn)換以蛻皮的方式進(jìn)行。
不過(guò)，當(dāng)線蟲(chóng)族群比較擁擠或者遇到食物不足等一些極端狀況，實(shí)在無(wú)法緩解時(shí)，卻會(huì)出現(xiàn)一種特殊狀態(tài)的線蟲(chóng)。此時(shí)，L2時(shí)期的線蟲(chóng)會(huì)“躺平”，進(jìn)入一種耐久型幼蟲(chóng)的狀態(tài)（Dauer larva）。
Dauer時(shí)期的線蟲(chóng)具有極強(qiáng)的抗壓性，它們可以不吃食物，發(fā)育停滯，一直維持細(xì)長(zhǎng)的體型繼續(xù)存活幾個(gè)月。而其他時(shí)期的蟲(chóng)子們?cè)谶@個(gè)時(shí)候只能接受命運(yùn)的安排，抱著對(duì)食物的渴望陸陸續(xù)續(xù)“含恨而終”。等到找到新的食物來(lái)源或者生存環(huán)境，Dauer時(shí)期的線蟲(chóng)可以立馬“滿血復(fù)活”，直接發(fā)育進(jìn)入L4時(shí)期，等待成年期的到來(lái)。
線蟲(chóng)發(fā)育軌跡圖
圖源：WormBook
了解完這些，是不是覺(jué)得線蟲(chóng)世界變得更加奇妙了呢？而線蟲(chóng)還有更多奇妙的特性等著科學(xué)家們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。相信在線蟲(chóng)的幫助下，我們一定能破解更多的自然奧秘！
當(dāng)然，也還有更多的線蟲(chóng)要培育…我先去養(yǎng)蟲(chóng)了。
參考資料：
[1] WormBook http://www.wormbook.org/
[2] WormAtlas https://wormatlas.org/
[3] 諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng) https://www.nobelprize.org/
[4] Yin JA, Gao G, Liu XJ, et al. Genetic variation in glia-neuron signalling modulates ageing rate. Nature. 2017;551(7679):198-203. doi:10.1038/nature24463
[5] Yuan J, Chang SY, Yin SG, et al. Two conserved epigenetic regulators prevent healthy ageing. Nature. 2020;579(7797):118-122. doi:10.1038/s41586-020-2037-y
作者：中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心 胡慧禎
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