秀麗隱杆線蟲危害人類嗎（秀麗隱杆線蟲）

2023-09-20 11:47:56 2

秀麗隱杆線蟲(Caenorhabditis elegans，C. elegans)是一種無毒無害、可以獨立生存的線蟲 。其個體小，成體僅1.5mm長，為雌雄同體(hermaphrodites)，雄性個體僅佔群體的0.2%，可自體受精或雙性生殖;在20℃下平均生活史為3.5天，平均繁殖力為300-350個;但若與雄蟲交配，可產生多達1400個以上的後代。自1965年起，科學家Sydney Brenner利用線蟲作為分子生物學和發育生物學研究領域的模式生物。

2013年12月17日，據國外媒體報導，科學家認為，如果延長蠕蟲生命的科學應用到人類身上，人類活到500歲將不只是夢想。秀麗隱杆線蟲的兩個基因通路，使通過遺傳相互作用進行抗衰老治療的成為可能。

1900年，Maupas把這種棒狀的蠕蟲命名為Rhabditis elegans，因為群體繁殖為"r-選擇"的緣故，早在1948年Dougherty and Calhoun 便指出了它在遺傳學研究中的重要性。1952年，Osche把它置於Caenorhabditis亞屬，1955年Dougherty最終把它命名為Caenorhabditis elegans(其中Caeno意為 recent; rhabditis意為 rod; elegans意為nice)。廣泛使用N2 Bristol品系，由Staniland從英格蘭Bristol附近的蘑菇堆肥中分離，1965年被定為參考種N2。在此過程中，Dougherty建立了線蟲的瓊脂板接種，大腸桿菌的培養方法和無菌單培養方法。

秀麗隱杆線蟲對秀麗線蟲的早期研究工作，主要集中在解剖、營養、生理和生殖等方面，直到1960s中期，隨著DNA雙螺旋結構的揭示和遺傳密碼的發現，使得當時的生物學家認為，"人腦是生命科學研究的最後堡壘。"

1963年，Sydney Brenner在寫給劍橋大學分子生物學實驗室主任Perutz的信中指出:"幾乎所有的經典的分子生物學問題已經解決或在今後幾十年內將得到解決，……今後分子生物學的任務，是深入的探討生命科學的其它領域，特別是發育和神經系統"。在此背景下，Brenner著手尋找一種具有生活周期短，個體小容易繁殖的後生動物，1963年10月，他從Dougherty實驗室獲得了線蟲Bristol品系，並對此開展不懈的研究。在早期的研究工作中，Brenner分離得到了一些營養突變體，他轉而使用EMS處理線蟲，首先獲得一種短小矮胖的個體，被命名為dpy-1。

到1974年Brenner的論文The Genetics of Caenorhabditis elegans發表時，通過EMS誘變一共獲得300多個線蟲突變體，其中多數為隱性突變。突變表型涉及行為、運動和形態結構等方面，這些突變材料使得100多個基因得以表徵，並被定位於6個連鎖群。秀麗線蟲作為模式生物的優越性也日漸顯示，如通體透明，體細胞數目恆定，特定細胞位置固定等，這使得它成為研究個體發生的良好材料。Sulston通過活體觀察線蟲的胚胎發育和細胞遷移途徑，於1983年完成線蟲從受精卵到成體的細胞譜系，是發育生物學史上具有裡程碑性的發現，隨後秀麗線蟲在胚胎發育、性別決定、細胞凋亡、行為與神經生物學等方面研究中得到廣泛應用。其中Brenner，Sulston和Horvitz因在線蟲的遺傳與發育方面的成就，獲得2002年諾貝爾醫學或生理學獎。從1980年代中期開始的線蟲基因組測序工作，於1998年完成，同年Fire建立了線蟲RNA幹擾技術，該技術可以方便的沉默特定的基因，即通過反向遺傳學(reverse genetics)研究特定基因的功能，在生命科學的許多領域得到應用，2006年Fire和Mello因此而獲得諾貝爾醫學或生理學獎。[1]

長度約1mm，通身透明，纖細身軀。生活在溫度恆定的環境。它是唯一一個身體中的所有細胞，能被逐個盤點並各歸其類的生物。

C. elegans呈蠕蟲狀(vermiform)、兩側對稱(bilateral symmetry)，體表有一層角質層(cuticle)覆蓋物，無分節(segmentation)，有四條主要的表皮索狀組織(epidermal cord)及一個充滿體液的假體腔(pseudocoelom)，以微生物(microorganism)為食，如埃希氏大腸桿菌(Escherichia coli)。C. elegans基本解剖構造包括一個口、咽、腸、性腺，及膠原蛋白角質層(collagenous cuticle)。有雄性及雌雄同體(hermaphrodite)兩種性別，雄性有一個單葉性腺(single-lobed gonad)，輸精管，及一個特化為交配用的尾部。雌雄同體有兩個卵巢、輸卵管、藏精器，及單一子宮。絕大多數個體為雌雄同體，雄性僅佔0.05%。生命周期:雌雄同體個體產卵孵化後，經歷四個幼蟲期(L1-L4)。當族群擁擠或食物不足時，C. elegans會進入另一種幼蟲期，叫做dauer幼蟲。Dauer能對抗逆境，而且不會老化。雌雄同體個體在L4期生產精子、並在成蟲期產卵。而雄性也能使雌雄同體受精，雌雄同體會優先選擇雄性的精子。在實驗室20 °C的環境下，C. elegans平均壽命為二、三周，而發育一個世代僅約為4天。

C. elegans有五對常染色體(autosome)和一對性染色體(sex chromsome)。是一個染色體數很少的二倍體。[1]

秀麗隱杆線蟲

C. elegans做為一種模式生物(model organism)被大量應用於現代發育生物學，遺傳學，基因組學的研究中。C. elegans在研究細胞分化(cellular differentiation)方面特別有貢獻，而且是第一個基因組(genome)完全被定序(sequencing)的多細胞生物。其基因組很小，僅有80,000,000 bps，為人類基因組的3%，約有13,500個基因。且C.elegans與原核相似，有25%左右的基因產生多順反子mRNA(PolycistronicmRNA)，此和它們通過反式剪接使下遊基因的到表達有關。C. elegans大部分是XX型的雌雄同體個體(hermaphrodites)大約每500個蠕蟲有1個是XO 型的雄體，此是染色體不分離的結果。

C. elegans的優勢在於為一種多細胞(multicellular)真核生物(eukaryote)。雌雄同體成蟲有959個體細胞;雄成蟲有1031個。且每一個體細胞(somatic cell)的發育情況都研究得較為清楚。這個細胞世系(cell lineage)的規律在各個個體之間是幾乎不變的。兩種性別的個體，都有許多多出的細胞(雌雄同體131個，大部分原本會成為神經元)將經由細胞凋亡(apoptosis)的過程被除去。除此之外，C. elegans還是有最簡單的神經系統(nervous system)的生物之一。在雌雄同體中，總共有302個神經元(neuron)，其連結形式也已完全被建立出來(small-world network)。更多研究探索了與C. elegans的一些特殊行為有密切關連的神經機制，包括趨化性(chemotaxis)、趨溫性(thermotaxis)，以及雄性交配行為。

在2002年，諾貝爾生理醫學獎(Nobel Prize)頒發給Sydney Brenner、H. Robert Horvitz和John Sulston以表揚他們通過對C. elegans的研究揭示細胞的程序性死亡(programmed cell death,PCD)機制，及器官發育遺傳學的貢獻。[1]

幼蟲含有556個體細胞和2個原始生殖細胞，成蟲則根據性別不同，具有不同的細胞數。最常見的雌雄同體成蟲成熟後，含有959個體細胞和2000個生殖細胞，而較少見的雄性成蟲，則只有1031個體細胞和1000個生殖細胞。此外，線蟲的生命周期很短，它從出生到性成熟的全過程只有3天半，這就使得不間斷的觀察並追蹤每個細胞的演變成為可能。只要把線蟲浸泡到含有核酸的溶液中，就可以用這種最簡單的方式實現基因導入。線蟲還可以被凍在冰箱裡儲存，復甦之後繼續研究。通過20年的努力，到90年代中期，人們已經建立了完整的線蟲從受精卵到所有成體細胞的譜系圖。

秀麗隱杆線蟲基本的生命周期如下:秀麗隱杆線蟲由雌雄同體產下卵。卵在孵化後，會經歷四個幼蟲期(L1-L4)。當族群擁擠或食物不足時，秀麗隱杆線蟲會進入另一種幼蟲期，叫做dauer幼蟲。Dauer能對抗逆境，而且不會老化。雌雄同體在L4期生產精子、並在成蟲期產卵。雄性能使雌雄同體受精;雌雄同體會優先選擇雄性的精子。秀麗隱杆線蟲在實驗室中20°C的情況下，平均壽命約為二、三周，而發育時間只須幾天。

胚胎發生可以大致分成兩個時期:增殖期和器官與型態形成期。在增值期受精卵會從一個細胞逐漸增殖成大約550個必要的未分化細胞，而增殖期又可以分為兩個階段，其中一個階段是在母體內進行(在22°C的生長環境下約為受精後0-150分鐘)，這個階段分裂出較少的創始者細胞，在增殖期結束時，胚胎形成一個含有三胚層的球型構造，這三個胚層分別是外胚層(之後分化生成皮下組織和神經系統)、中胚層(未來產生咽部和肌肉系統)和內胚層(以後生成生殖腺和腸道)。而另一個階段則進行大量的細胞分裂和原腸形成(在22°C的生長環境下約為受精後150-350分鐘)，這個階段持續到胚胎進入器官與型態形成期。

型態形成期在22°C的生長環境下約為受精後的5.5-5.6小時到12-14小時，胚胎會增長約三倍並形成完全分化的組織和器官，根據胚胎內觀察到的蟲體摺疊數可以分為comma stage、1.5摺疊期、2摺疊期、3摺疊期以及4摺疊期。第一次的肌肉抽動在受精後430分鐘可以被觀察到(約為1.5摺疊或2摺疊期);而在受精後約510分鐘不同性別可以觀察到發育差異(雌雄間性胚胎的頭部伴護神經(cephalic companion neurons)死亡，雄性胚胎的雌雄間性特有神經(hermaphrodite-specific neurons)死亡)，而在3摺疊期的晚期;蟲體運動神經系統已發育且可以在蛋裡頭順著其長軸進行移動;而在4摺疊期時(第一次細胞分裂後760分鐘)胚胎的咽部開始進行收縮抽動;而在第一次細胞分裂後800分鐘由蛋中孵化。

後胚胎發育期由孵化後有食物提供刺激下啟動，在有食物的情況下，細胞分裂持續且後胚胎發育開始於孵化後的三個小時，一般而言秀麗隱杆線蟲經歷四個階段的幼蟲期(L1、L2、L3、L4)後變成成體，許多在胚胎期即設置好的胚細胞於這四個階段的幼蟲期以時間及空間規劃幾乎不變的模式進行分裂，而這也給予了秀麗隱杆線蟲固定數量細胞以及命定的細胞命運。而在胚胎期所產生的671個細胞核中，其中有113個細胞會在後胚胎發育的過程會進行計劃性細胞凋亡，而剩下的558個細胞中只有百分之十的細胞(雌雄間性有51個細胞，雄性有55個細胞)是胚細胞且可以再進一步進行分裂。

倘若胚胎孵化後沒有食物的供應，這些剛孵化的幼蟲會停止繼續發育並停留在這個階段直到有食物提供為止，這些停止繼續發育的幼蟲細胞會停留在細胞周期的G1期(停止生長)且無法進行分裂，這些停止繼續發育的幼蟲在沒有食物供應的情況下約可存活六到十天。

在L2幼蟲期的末期，如果環境狀況不適合繼續生長的話，秀麗隱杆線蟲的幼蟲可能會進入dauer幼蟲階段，這些不適合生長的環境狀況包括受到環境費洛蒙影響、食物匱乏、高溫等，會促使幼蟲進入L2d的幼蟲階段，這個階段幼蟲同時具有可以繼續進入L3幼蟲期或dauer幼蟲期的潛力，若環境逆境太強則進入dauer，若環境轉好則進入L3幼蟲期，而dauer期為一個不會衰老的狀態，因為dauer期的長短並不會影響dauer期後的蟲體壽命。在取得食物供應後的一個小時內，dauer幼蟲脫離dauer，二到三個小時之後開始進食，最後在十個小時後會蛻皮進入L4幼蟲期。

在22°C到25°C的環境下，大概在孵化後的45-50小時就會變成成熟的雌雄間性並產下他的第一個卵，成體雌雄間性大約可以產生四天的卵細胞，在這段具有生殖力期間後的三到四天，成體會另外再存活十到十五天，自體受精的雌雄間性會產生大約300個後代(因為精子的數目是有限的)，但是如果和雄性交配的話，雌雄間性會優先採用雄性的精子，此時後代數目可以增加到1200-1400個。雄性則在最後一次幼蟲蛻皮後的六天具有和雌雄間性交配的能力，且大概可以產生3000個後代。[1]

秀麗隱杆線蟲曾在2003年成為媒體關注焦點，當時它們在"哥倫比亞"號空難中倖存下來。重返地球時，這些線蟲被放入密封在鋁罐內的培養皿。在太空梭殘骸墜地後幾周，工作人員發現了這些倖存者。

美國宇航局的"阿特蘭蒂斯號"太空梭於2009年11月17日凌晨順利升空，任務是把零部件送入國際空間站和搭載百萬秀麗隱杆線蟲。

這些線蟲這次成為太空遊客，目的旨在幫助諾丁漢大學的專家進一步了解，什麼因素引起人體肌肉增強和萎縮。在空間站，這些線蟲將經歷導致太空人肌肉出現戲劇性萎縮的無重力狀態。

諾丁漢大學位於德比的臨床醫學研究所的納撒尼爾·瑟奇亞克博士，多年來對控制肌肉蛋白降解的信號進行研究，他的研究工作，主要是圍繞從英國布里斯托垃圾堆填區，發現並收集的秀麗隱杆線蟲展開的。

瑟奇亞克將為其中一些秀麗隱杆線蟲注入一種名為"RNAi"的物質，這種物質能夠幫助降低肌肉消耗。這位正與日本東北大學Atsushi Higashitani教授合作的博士說:"我們能夠了解到在地球上無法了解的東西。如果能夠找到，是何種因素導致人體在太空中以確定的方式作出反應，我們就能為在地球上進行的相關研究找到新的路。"

瑟奇亞克的研究員蒂姆·伊瑟裡奇負責幫助這些線蟲，事先為此次飛行做好了準備，它們的目的地空間站距離地球大約200英裡(約合322公裡)。為了這次飛行，這些精挑細選的線蟲已進入一種睡眠狀態。它們被放入特製的細胞培養袋並進入太空，而後在食物的幫助下從睡眠中甦醒過來。進入太空之後，它們將暴露在零重力環境下，時間為4天，而後接受冷凍，為重返地球做準備。回到諾丁漢大學的實驗室之後，科學家將對此次太空飛行對肌肉質量產生何種影響進行分析。

細胞凋亡現象及其機理，最早是在線蟲中被揭示的。凋亡(apoptosis)是一個希臘文來源的詞語，這個字眼表達的是花兒凋謝，樹葉飄零的景色。"梧桐一葉落而知天下秋 "、"搦搦兮秋風，洞庭波兮木葉下 "的意象恐怕正是說的這種意境:優雅，含蓄，還帶點淡淡的憂傷，更因為飄落時那種雖然有些無奈卻坦然以受之的美。由於線蟲研究開創了一個對今日生物醫學發展，具有舉足輕重的全新領域，同時也因為以線蟲為基礎的凋亡研究對基礎和應用生物學，產生的巨大推動作用，卡羅林斯卡醫學院的諾貝爾獎評選委員，會將年2002年生理和醫學獎授予了，線蟲生物學的開拓者:西德尼·布雷納(Sydney Brenner)、約翰·薩爾斯頓(John Sulston)和線蟲凋亡之父羅伯特·霍維茨(Robert Horvitz)。

今天，秀麗線蟲因其遺傳背景清楚、個體結構簡單、生活史短、基因組測序完成等，在遺傳與發育生物學、行為與神經生物學、衰老與壽命、人類遺傳性疾病、病原體與生物機體的相互作用、藥物篩選、動物的應急反應、環境生物學和信號傳導等領域得到廣泛應用。通過各國科學家的密切合作，線蟲研究的資源共享體系，為研究人員提供了極大的方便，如由NIH資助的線蟲種質中心(CGC)貯藏了大量的線蟲品系，免費分發給世界各地的研究者，而AceDB系統為研究者提供了大量的有關線蟲的信息，線蟲的DNA序列可以在NCBI或Wormbase網站上進行在線比對。

參考資料