Нематода Caenorhabditis elegans. Будова її організму та переваги як модельного об'єкту в цитологічних дослідженнях

Проміжний організм між одноклітинними та багатоклітинними організмами Dictyostelium discoideum. Структура слизньових грибів та застосування в генетичних та цитологічних дослідженнях.

Слизовики - одна з найбільш своєрідних і унікальних за своєю природою груп ор - ганизмов. Цілий ряд притаманних їм властивостей відображає ранні стадії еволюції еукаріотів, що робить їх вивчення не просто захоплюючим хобі, а й серйозною науковою задачею. Вони широко розповсюджені в природі і стали відомі науці більше двох століть тому. При цьому, аж до теперішнього часу, слизевики залишалися загадкової групою, сис - тематичне положення і родинні зв'язки якої не були повністю ясні.

Подвійна природа слизовиків.

З точки зору класичної систематики, ці організми володіють подвійною природою, тобто поєднують у собі риси тварин і грибів. Їх життєвий цикл включає як типово «тварини», так і типово «грибні» стадії. Слизовики володіють фаго - трофним типом харчування і амебоидной морфологією, що характерно для тварин, але з іншого боку, утворюють плодові тіла зі спорами, що властиво грибам.

Слизовики були відкриті в середині 18 століття (Battara, 1755; Haller, 1768) і класифіковані як гриби на основі таких спільних рис як розмноження і поширення спорами та утворення плодових тіл. 1859 року Антуан де Барі вилучив міксоміцети із царства грибів, через те що вони мають амебоподібні клітини без клітинних стінок і живляться шляхом фагоцитозу. Він запропонував для них назву Mycetozoa (гриби-тварини), що відображала подвійну природу цих організмів, і відніс до тварин, вказавши на спорідненість із саркодовими. Місце міксоміцетів у системі живого довго залишалось невизначеним, у різних класифікаціях вони належали як до тварин, так і до грибів (наприклад, у класифікації Роберта Віттакера), а інколи деяких з них відносили навіть до царства рослини.

Зараз відомо, що міксоміцети філогенетично не споріднені з грибами, а наявність плодових тіл в обидвох груп організмів є прикладом конвергентної еволюції. На основі даних молекулярних досліджень, а також того факту, що слизовики мають мітохондрії із трубчастими кристами, їх відносять до групи Amoebozoa.

У складі Mycetozoa виділяють три основні групи організмів, що відрізняються особливостями життєвого цикл:

справжні або плазмодіальні слизовики (міксомікоти, Myxogastria, наприклад Physarum polycephalum) — мають життєву стадію плазмодію, що є однією великою багатоядерною (до мільйонів ядер) клітиною;

клітинні слизовики (диктіостеліди, Dictyostelia, наприклад Dictyostelium discoideum) — амебоїдні одноклітинні організми, що за несприятливих умов можуть збиратись у багатоклітинні псевдоплазмодії

слизовики із односпоровими плодовими тілами (протостеліди, Protostelia), які можуть бути проміжною еволюційною ланкою між першими двома групами та типовими амебами.

Раніше до цієї групи також відносили акразієвих слизовиків, проте структурні та молекулярні свідчать про їх неспорідненість із рештою слизовиків, а також лабіринтуломікотові, які зараз відносять до гетероконт, і плазмодіофорові, що належать до Cercozoa.

Особливості будови

Міксомікотові або справжні слизовики на вегетативній стадії представлені багатоядерним плазмодієм, який утворюється внаслідок серії послідовних мітозів без цитокінезу. Вони часто мають яскраве забарвлення, переважно жовте або оранжеве. Цитоплазма всередині плазмодію постійно рухається і пульсує, це сприяє транспорту поживних речовин та кисню.

Плазмодій міксомікотових має досить незвичний вигляд, через що інколи виникають непорозуміння. Наприклад, 1973 року житель Далласу виявив у себе на подвір'ї пульсуючу червону масу діаметром у півметра, про що сповістив пресу. Служби новин стали повідомляти про відкриття «нової форми життя», яка багато кому нагадала про фільм 1958 року Крапля en. Згодом біологи ідентифікували масу як плазмодіальний слизовик.

Трофічна стадія розвитку диктіостелід представлена поодинокими амебоподібіними клітинами, які за несприятливих умов можуть збиратись у псевдоплазмодій, зовнішньо схожий на плазмодій міксомікотових, проте відмінний від нього багатоклітинністю.

Живлення

Слизовики переважно сапротрофи, живуть у вологому ґрунті, на гнилій деревині та листі. Живляться дрібними грибами, бактеріями, органічними рештками шляхом фагоцитозу

Життєвий цикл плазмодіального слизовика

Вегетативна стадія міксомікотових слизовиків є диплоїдною. Коли плазмодій дозріває, або потрапляє в умови нестачі їжі або/і вологи, він перетворюється на плодові тіла (спорангії), в яких після дозрівання шляхом мейозу утворюються спори, вкриті целюлозними оболонками. У присутності води спори проростають і з них виходять безджгутикові клітини (міксамеби) або джгутикові (зооспори), які можуть перетворюватись одні на одних. Ці клітини гаплоїдні, вони деякий час активно живляться, після чого попарно зливаються (міксамеби з міксамебами, джгутикові клітини із джгутиковими клітинами), внаслідок чого утворюються диплоїдна зигота. Зигота живиться й росте, її ядро багаторазово ділиться шляхом мітозу, при цьому не відбувається цитокінезу; таким чином з'являється молодий плазмодій.

Клітинні слизовики

На відміну від плазмодіальних слизовиків у клітинних вегетативна стадія — одноклітинні міксамеби — гаплоїдна. За певних умов міксамеби можуть зливатись між собою, формуючи зиготу, яка покривається товстою оболонкою, після чого проходить мейотичний та кілька мітотичних поділів. Утворені гаплоїдні міксамеби вивільняються у середовище внаслідок розриву оболонки. У випадку нестачі їжі диктіостеліди розмножуються нестатево. Клітини виділяють цАМФ, який приваблює інші міксамеби, що в свою чергу також починають синтезувати цю сигнальну сполуку. Таким чином вони агрегують і утворюють багатоклітинний псевдоплазмодій, що деякий час рухається, залишаючи за собою слизовий слід. Згодом розпочинається диференціація клітин, частина з них формує стерильну ніжку плодового тіла (сорокарпа, відрізняється від спорангія тим, що спори формуються екзогенно (зовнішньо), інша частина утворює спори. Спори гаплоїдні і оточені захисними оболонками, проростають за сприятливих умов.

Слизовики як модельні об'єкти

Багато видів слизовиків легко культивувати, їх життєвий цикл недовгий і проходить за кілька днів, це зробило їх зручним модельним об'єктом. Зокрема вони були використані при дослідженні цитоскелету, функціонування кальцій-кальмодулінового комплексу, еволюції багатоклітинності та статевого процесу, ієрархії ядер в багатоклітинних структурах та багатьох інших процесів.

Dictyostelium discoideum використовували для вивчення сигнальної молекули цАМФ (яку інколи називають акразином, через те, що D. discoideum раніше відносили до акразієвих), яку клітини цього слизовика використовують для агрегації. Також дослідження цього виду слизовиків дозволили пролити світло на деякі питання еволюції багатоклітинності. Життєвий цикл диктіостелуму передбачає «добровільну самопожертву» із сторони частини міксамеб, через те, що при формуванні плодового тіла (сорокарпа) репродуктивний потенціал мають тільки клітини, що диференціюються у спори, ті ж, що входять до складу стерильної ніжки виконують тільки допоміжну функцію і гинуть так і не передавши спадкову інформацію нащадкам. У деяких представників спостерігається мутація, внаслідок якої вони стають «шахраями» і ніколи не беруть участі в утворенні ніжки. Така особливість, очевидно, надає клітинам значної репродуктивної переваги проте не поширюється у популяції, це пов'язано із тим, що «чесні» міксамеби можуть розпізнавати мутантів за відсутністю певного білка на поверхні і переважно з ними не агрегувати. Схожі системи розпізнавання могли бути важливими для еволюції багатоклітинних еукаріот

Caenorhabditis elegans - вільноживучі нематода (круглий хробак) довжиною близько 1 мм. Дослідження цього виду в молекулярної біології та біології розвитку почалися в 1974 роботами Сіднея Бреннера Широко використовується як модельний організм у дослідженнях з генетики, нейрофізіології, біології розвитку, обчислювальної біології У 1986 році був повністю описаний коннектом. Геном повністю просеквенірован і опублікований в 1998 році (доповнений у 2002). Мартін Чалфі використовував C. elegans при дослідженні зеленого флуоресцентного білка.

Маленький черв'ячок, нематода C. elegans приніс п'ятьом своїм дослідникам три Нобелівські премії. Найсвіжішу, в 2008 році, один з лауреатів, а саме Мартін Челфі, отримав за те, що запропонував причіплювати ген білка, що світиться медузи до якого-небудь гену нематоди: всі клітини, де цей ген активується, будуть світитися (див. «Хімію і життя», 2008, № 12). А коли незабаром нематода прозора, це легко побачити.

Саме на нематодах відкрили явище інтерференції РНК лауреати Нобелівської премії з медицини 2006 Ендрю Фаєр і Крейг Мело (див. «Хімію і життя», 2006, № 11).

А першими були Сідней Бреннер, Джон Сальстон і Роберт Горвіц - їм премію з медицини за відкриття апоптозу присудили в 2002 році (див. «Хімію і життя», 2003, № 1). Лідирував тут, безперечно, Бреннер - все-таки батько-засновник молекулярної біології. Втім, аж ніяк не маніпуляціями з зеленим білком або інтерференцією РНК знаменита нематода: її дослідження внесли живий струмінь в класичну геронтологию, яка протягом тривалого часу була схожа в біологічній науці на тиху заводь. Нова жива модель виявилася дуже зручною для спостереження за тим, як тривалість життя пов'язана зі спадковістю і з умовами середовища проживання. Наш огляд покликаний відобразити місце черв'ячка у цих дослідженнях.

Групі вчених з арканзаська медичного університету (Літтл- Рок, США) під керівництвом Роберта Шмуклера Райса вдалося досягти десятикратного - рекордного на сьогоднішній день - збільшення тривалості життя хробака нематоди. За рахунок всього одного зміни гена age - 1 їм вдалося отримати особин, які давали довгоживуче, стійке до різних отрут, але при цьому зовсім стерильне потомство.

Нематода (круглий хробак) Caenorhabditis elegans - улюблений модельний організм біологів. Якщо на прикладі бактерії E. coli біологи досліджують прокаріот, на прикладі дріжджів Saccharomyces cerevisiae - одноклітинні організми, то C. elegans, поряд з мушкою дрозофилой та лабораторної мишею, - незамінний об'єкт для дослідження багатоклітинних тварин.

Любов біологів викликана ого прозорістю і швидкістю розмноження (повний цикл розвитку C. elegans становить близько трьох діб). І хоча C. elegans ледь помітний людським оком (він досягає в довжину лише 1 мм), за кілька десятиліть досліджень, частина яких присвячена проблемам старіння організмів, цей крихітний черв'як приніс вже чимало користі людству - з ним працювали і продовжують працювати молекулярні біологи, ембріологи і навіть нейробіологи (черв'як має нервову систему з трьохсот нейронів).

На сьогоднішній день у C. elegans відомо близько 80 мутацій, що впливають на тривалість життя. Зокрема, раніше було відмічено, що порушення молекулярних каскадів, пов'язаних з важливим гормоном (присутнім і у людини) - інсуліноподібний фактор росту ІФР - 1 (insulin - like growth factor, IGF- 1), приводили до трикратного перевищення природного двотижневого терміну життя нематод C. elegans (і давали трохи менший ефект при роботі з іншими видами, наприклад мишами). Проте в роботі, опублікованій нещодавно в журналі Aging Cell, цей рекорд був перевершений більш ніж у три рази. «Вибивання» одного з ферментів в каскаді інсуліноподібного фактору росту дало вже не трьох -, а десятикратне збільшення тривалості життя: деякі з піддослідних нематод прожили дев'ять місяців.

У будь-якому організмі - навіть одноклітинному - є цілий ряд молекулярних каскадів, покликаних передавати інформацію про зовнішні дії або зміни внутрішнього середовища до складного механізму регуляції експресії генів. Прийшовши на рецептори клітинної мембрани сигнал (наприклад, якщо молекула рецептора провзаємодіяти з сигнальною молекулою гормону, нейромедіатора або ліки) запускає ланцюжок з складних перетворень, таких як зміна конформацій білків, додавання і видалення фосфатних груп, каталіз і інгібування різних біохімічних реакцій). На кожній стадії перетворення відбувається як посилення сигналу, так і передача його в необхідну сторону - до ядра і транскрипційним факторам, регулюючим транскрипцію ДНК з тих чи інших генів

Дата добавления: 2014-11-20