發(fā)布時間：2022-05-19
“聽說你是研究神經(jīng)科學的，一定很炫酷吧？”
“實際上…我每天都在養(yǎng)蟲子，線蟲。”
“養(yǎng)蟲子？？？（告辭）”
“你不想知道奇奇怪怪的養(yǎng)蟲小知識嘛？它是像線一樣的小蟲子嗎？它吃什么？它住哪里？做實驗時需要用手抓嗎……別走呀！來認識一下這位科研之友嘛！”
高能預警：線蟲玉照有些掉san哦。
你還是不要看了吧？
非要看？
破解生命奧秘的功臣
別看線蟲其貌不揚，它可是科學研究中常用的模式生物之一，立下了“赫赫戰(zhàn)功”，比如：
用線蟲實驗模型系統(tǒng)研究調(diào)節(jié)器官發(fā)育及細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年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。
2006年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎頒發(fā)給了安德魯·法厄和克雷格·梅洛，他們闡明了線蟲的RNA干擾機制。
馬丁·查爾菲將線蟲應用在綠色熒光蛋白的研究中，獲得了2008年諾貝爾化學獎。
此外，線蟲也是第一個完成全基因組測序的多細胞生物，第一個解析連接組（神經(jīng)元之間連接溝通關系）的生物體，現(xiàn)在研究火熱的microRNA也是在線蟲中首先被發(fā)現(xiàn)并開展功能研究。另外，第一個壽命調(diào)控通路-胰島素樣信號通路也是在線蟲中首次被發(fā)現(xiàn)。
近些年，筆者所在的研究所也利用線蟲，篩選能夠調(diào)控健康衰老的基因及其相關通路，以期解答個體之間衰老速率差異的原因，尋找衰老調(diào)控的機制，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，一點小小的變異就影響了該通路的活性，造就了不同線蟲不一樣的衰老歷程。
RGBA-1-NPR-28通路遺傳變異影響個體衰老速率
圖片來源：Yin JA. et al., 2017, Nature.
另外，關于我們?yōu)槭裁措S著時間推移慢慢會衰老，篩選也發(fā)現(xiàn)了一個隨著年齡增長在體內(nèi)累積表達的表觀遺傳調(diào)控因子BAZ2B，阻斷其積累會對一系列行為退化產(chǎn)生改善。
阻斷BAZ2B隨時間的累積可以延緩衰老相關功能退化
圖片來源：Yuan J. et al., 2020, Nature.
你好，正式認識一下
教科書里一般都會寫到，線蟲體型小，大小只有1mm，易于實驗室大規(guī)模飼養(yǎng)；并且通體透明易于實驗觀察；遺傳信息簡單，生命周期短，易于實驗操作。
嚴格來說，我們通常提及的模式生物線蟲，學名為秀麗隱桿線蟲，英文C.elegans (Caenorhabditis elegans)，歸屬于線蟲門下的小桿線蟲屬。所以說不是土壤中隨便見到的長得像線一樣細長的小蟲子就是實驗室里使用的哦~
“秀麗”來源于它名字中的elegans（優(yōu)雅，elegance），這是1900首次發(fā)現(xiàn)它的法國學者émile Maupas為它賦予的標識，據(jù)說是因為它優(yōu)美的運動曲線。
自由運動的線蟲
圖片來源：維基百科
正弦曲線代表它來過
秀麗線蟲的運動軌跡，呈現(xiàn)出正弦形狀。這是由線蟲腹部與背部兩側(cè)肌肉的規(guī)律性收縮造成的。
線蟲走過的路像不像波浪線呢
圖片來源：必應
可以通俗地說，它的“人生旅程”就是在一路畫波浪線。當然，這條波浪線不是一路畫到天涯海角，畢竟實驗室里線蟲的小家，可就只有一個培養(yǎng)皿的大小。
在這個小家里，線蟲畫出的波浪線彎彎曲曲，錯綜復雜。因為它會碰壁，不回頭就會掛；也會碰到線蟲伙伴們，寒暄過后便忘記來時的方向；還會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
秀麗線蟲吃細菌，對人無害。實驗室會在培養(yǎng)皿里培養(yǎng)特定的大腸桿菌（通常為OP50品系），然后將線蟲轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿上喂養(yǎng)。所有的線蟲們共同搶食一片細菌領地，好不熱鬧。借助線蟲吃細菌的這個特點，有時候?qū)嶒瀱T們會根據(jù)實驗需求給線蟲提供不一樣的“大鍋飯”，換換口味。
比如說我們要對線蟲的基因表達進行操縱。就可以先讓線蟲的食物大腸桿菌帶上一些特定的基因元件，等到線蟲吃到肚子里后，這些元件就會對線蟲產(chǎn)生作用，從而實現(xiàn)基因操縱的目的。線蟲們永遠也想不到，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
圖片來源：WormBook
每天都能住空調(diào)房
進行線蟲培養(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福利——可以沾線蟲的光擁有冬暖夏涼的空調(diào)房！
秀麗線蟲的培養(yǎng)溫度在16℃到25℃之間。為了規(guī)范世界各地線蟲研究的一致性，普通線蟲一般采用20℃的適宜溫度，除非有一些溫度敏感型或基因缺陷的線蟲需要特定的溫度飼養(yǎng)。
在20℃時，常用的野生型秀麗線蟲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”就畫上了句號。溫度較低時線蟲的生長速度減緩，壽命會延長；高溫時線蟲生長速度加快，生命的長度也隨之縮短。
為了維持這樣的環(huán)境，僅僅為線蟲提供20℃的恒溫培養(yǎng)箱還不夠。實驗人員操作的整個室內(nèi)環(huán)境，都需要控制溫度在20℃的條件，以避免溫度波動影響線蟲表型觀察與假設驗證。
線蟲的培養(yǎng)箱設定
圖片來源：作者提供
沒有爸爸，也能快速繁殖
秀麗線蟲不愧是實驗室常用的低等動物模型，短短3天就能從卵發(fā)育到性成熟，此后就開始產(chǎn)卵擁有自己的孩子們，子子孫孫無窮盡也。
不過，你知道嗎，線蟲寶寶們一般都沒有爸爸。秀麗線蟲的性別機制比較獨特，不像一般的動物是雌性和雄性，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（你能分辨出來它們有何不同嗎？）
圖片來源：作者提供
雌雄同體有多獨特呢，真是應了那句話，“既當?shù)之攱尅薄Ｋ瑫r擁有卵子和精子兩種生殖細胞，生娃完全可以獨立完成。
雌雄同體的生殖器官可以看做一個長長的管道。到了適育年齡，它的生殖細胞開始成熟，其中精子先變成“成熟的模樣”，就在前方等待著卵子。卵子從遠處出發(fā)，在雌雄同體體內(nèi)獨自經(jīng)過長長的旅程，見過無數(shù)的風景，越來越成熟。在經(jīng)過精子所在的領地時發(fā)生受精，變成受精卵后接受了新的使命。受精卵擁有來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。
雌雄同體線蟲的生殖過程，藍色箭頭所示為卵子成熟過程的旅程，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胞繼續(xù)進行胚胎發(fā)育，從子宮內(nèi)產(chǎn)出。（左右兩側(cè)胚胎形成過程對稱）
圖片來源：修改自WormAtlas
也是因為這樣，實驗室如果沒有特殊的實驗需求，只需要養(yǎng)著雌雄同體就行了，雄性似乎顯得有點多余。畢竟一只健康的雌雄同體線蟲短短幾天就可以生300多顆卵，走到哪兒生到哪兒，實驗材料取之不盡用之不竭。
雌雄同體線蟲生出來的會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。線蟲雌雄同體的性染色體為XX，雄性的性染色體就只有一個X。因此，雌雄同體因為卵子和精子攜帶的性染色體都是X，所以受精之后生出來的還是雌雄同體XX。只有極少數(shù)的情況下，染色體分離時發(fā)生失誤導致其中一個生殖細胞沒有分到X，才會自發(fā)產(chǎn)生雄性后代。
所以，雖然沒有爸爸，線蟲們還是能夠獨自完成生育，偶爾也會為種群添幾個男丁。
線蟲和一顆顆卵寶寶們（圖中一個個黑色的小點）
圖片來源：必應
鉑金才配給它搬家？
實驗室的小鼠一般可以直接用手抓，線蟲只有區(qū)區(qū)1mm，就像一個短線頭，需要在顯微鏡下才能看清楚，用手抓實在有點強人所難了。當我們需要轉(zhuǎn)移實驗室里的線蟲，給它們挪窩的時候，鉑金絲針或眉毛針是不錯的選擇。
線蟲生活在飼養(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挑取線蟲，也不用擔心燙到我們?nèi)崛醯南x子。短短的鉑金絲，尖端是壓扁的，像艘小船，線蟲就乘著這艘“小船”，駛向新的未知港灣。
挑線蟲的鉑金絲針和眉毛針
圖片來源：作者提供
除了鉑金絲，眉毛或者頭發(fā)也可以用來挑取線蟲，但是因為它比較軟易損耗，而且搭載蟲子的量也不多，使用上有一些限制。
“冰河世紀”照樣活
線蟲和果蠅、小鼠這樣的模式生物不同。把整條蟲子凍在液氮（-196℃）或者-80℃冰箱中，保存幾年之后照樣可能復蘇。
早在1974年Sydney Brenner發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。和體外培養(yǎng)細胞的凍存類似，線蟲這個多細胞生物的凍存也需要準備凍存緩沖液，并且對于線蟲的發(fā)育時期和數(shù)量還有一定的要求。只有這樣才能保證最后復蘇的效率，即使在這個過程中大量的蟲子都會殞命。
冰封在-80℃超低溫冰箱中的線蟲們
圖片來源：作者提供
頂不住了，先躺平吧
雖說線蟲比較低等，但它也有“小聰明”。正常線蟲發(fā)育過程中，從卵孵化出來之后，會經(jīng)歷四個幼蟲期（L1－L4），每一次時期轉(zhuǎn)換以蛻皮的方式進行。
不過，當線蟲族群比較擁擠或者遇到食物不足等一些極端狀況，實在無法緩解時，卻會出現(xiàn)一種特殊狀態(tài)的線蟲。此時，L2時期的線蟲會“躺平”，進入一種耐久型幼蟲的狀態(tài)（Dauer larva）。
Dauer時期的線蟲具有極強的抗壓性，它們可以不吃食物，發(fā)育停滯，一直維持細長的體型繼續(xù)存活幾個月。而其他時期的蟲子們在這個時候只能接受命運的安排，抱著對食物的渴望陸陸續(xù)續(xù)“含恨而終”。等到找到新的食物來源或者生存環(huán)境，Dauer時期的線蟲可以立馬“滿血復活”，直接發(fā)育進入L4時期，等待成年期的到來。
線蟲發(fā)育軌跡圖
圖源：WormBook
了解完這些，是不是覺得線蟲世界變得更加奇妙了呢？而線蟲還有更多奇妙的特性等著科學家們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。相信在線蟲的幫助下，我們一定能破解更多的自然奧秘！
當然，也還有更多的線蟲要培育…我先去養(yǎng)蟲了。
參考資料：
[1] WormBook http://www.wormbook.org/
[2] WormAtlas https://wormatlas.org/
[3] 諾貝爾獎官網(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：中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心 胡慧禎
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