秀麗隱桿線蟲（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），雄性個體僅占群體的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套用到人類身上，人類活到500歲將不只是夢想。秀麗隱桿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。
基本介紹
- 中文學名：秀麗隱桿線蟲
- 拉丁學名：Caenorhabditis elegans
- 別稱：秀麗新小桿線蟲、秀麗線蟲
- 門：線形動物門
- 綱：線蟲綱
- 亞綱：小桿亞綱
- 目：小桿線蟲目
- 科：小桿科
- 屬：廣桿線蟲屬
- 亞屬：Caenorhabditis
- 種：秀麗隱桿線蟲
- 命名者：C. elegans
- 主要特徵：有口有肛門
形態特徵,研究歷史,細胞特徵,生命周期,胚胎期,幼蟲期,成蟲期,研究意義,
形態特徵
秀麗隱桿線蟲是一種食細菌的線性動物，其體長度1mm，通身透明，為雌雄同體，以細菌為食，居住在土壤中，屬於自由生活線蟲類，對人類沒有什麼危害。它生活在溫度恆定的環境，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，雄性僅占0.2%。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。
秀麗隱桿線蟲
秀麗隱桿線蟲研究歷史
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。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。”
秀麗隱桿線蟲
秀麗隱桿線蟲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多個基因得以表征，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髮育和細胞遷移途徑，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里程碑性的發現，隨後秀麗線蟲在胚胎髮育、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套用。其中Brenner，Sulston和Horvitz因線上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干擾技術，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套用，2006年Fire和Mello因此而獲得諾貝爾醫學或生理學獎。
細胞特徵
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。
秀麗隱桿線蟲
秀麗隱桿線蟲秀麗隱桿線蟲存在雌雄同體(hermaphrodite)和雄性兩類不同生物型。在雌雄同體生物型中，每尾線蟲既含有卵子又含有精子，精卵在體內受精，胚胎在生殖腺管內發育，幼蟲由陰門產出。雌雄同體個體自體受精的結果可產生非常純合的基因型。雌雄同體個體性別決定的染色體機制為XX型，在偶然情況下，可產生大約0．2%的XO雄性個性。XO雄性個體可與雌雄同體個體交配產生後代，從而增加基因重組和新等位基因引入的機會。如果把線蟲浸泡到含有核酸的溶液中，還可以用這種最簡單的方式實現基因導入。
生命周期
秀麗隱桿線蟲基本的生命周期如下：秀麗隱桿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，秀麗隱桿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。秀麗隱桿線蟲在實驗室中20°C的情況下，平均壽命約為二、三周，而發育時間只須幾天。
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櫃里儲存，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。
形態胚胎期
胚胎髮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。
幼蟲期
後胚胎髮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髮育開始於孵化後的三個小時，一般而言秀麗隱桿線蟲經歷四個階段的幼蟲期（L1、L2、L3、L4）後變成成體，許多在胚胎期即設定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桿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個細胞會在後胚胎髮育的過程會進行計畫性細胞凋亡，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，秀麗隱桿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。
成蟲期
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。
研究意義
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套用生物學，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）。
