Wie kann ein winziger Fadenwurm als schön bezeichnet werden und sogar den Nobelpreis gewinnen?

Nun, bevor wir den heutigen Protagonisten kennenlernen

Seien Sie vor Insektenterror gewarnt_(:з」∠)_

Am 7. Oktober wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin bekannt gegeben . In diesem Jahr wurde die Ehre Victor Ambros und Gary Ruvkun für ihre Beiträge auf dem Gebiet der Mikro-RNA zuteil.

Obwohl beide Forscher in diesem Jahr zum ersten Mal den Nobelpreis erhalten, ist der von ihnen untersuchte Fadenwurm Caenorhabditis elegans bereits ein regelmäßiger Gewinner. Insgesamt vier Nobelpreise stehen bislang im Zusammenhang mit diesem unscheinbaren kleinen Insekt.

Äh? Was sind Nematoden? Wie kann es schön sein? Wie konnte er den Nobelpreis gewinnen?

Caenorhabditis elegans unter dem Mikroskop | kdfj / wikimedia

Sie sind überall

C. elegans gehört zum Stamm der Nematoda, der mehr als 25.000 Arten wirbelloser Tiere umfasst. In einer geeigneten Umgebung können auf jedem Quadratmeter zig Millionen Fadenwürmer leben. Auf die Individuenzahl gerechnet sind 80 % der Tiere auf der Erde Fadenwürmer – stellt man die Tiere der Welt in einer Reihe auf, so liegen zwischen einem und dem nächsten „Nicht-Fadenwürmer“ im Durchschnitt vier Fadenwürmer .

Ein Wurzelgallennematode versucht, sich in eine Tomatenwurzel einzugraben. William Wergin und Richard Sayre / Wikimedia

Diese Lebewesenart, die normalerweise kaum Beachtung findet, ist die am weitesten verbreitete Gruppe in der Biosphäre der Erde. Man findet sie an den Polen, in den Bergen, in Wüsten und auf dem Meeresboden. Nathan Cobb, ein Pionier der amerikanischen Fadenwurm-Taxonomie, sagte einmal, wenn alle Materie im Universum außer den Fadenwürmern auf einen Schlag verschwinden würde, wären die im Nichts schwimmenden Fadenwürmer eine Nachbildung der Erdoberfläche – Berge, Seen, Städte, Dörfer und sogar Bäume und Tiere, deren Umrisse wahrscheinlich durch die spezifischen Fadenwurmarten, die unter ihnen verteilt sind, wiederhergestellt werden könnten.

Allerdings sind Fadenwürmer nicht nur die „Stärksten der Welt“. Im Jahr 2011 entdeckten Wissenschaftler an der Oberfläche einer Goldmine mehrere Kilometer unter der Erde in Südafrika Fadenwürmer, die sich von Bakterien ernähren . Darüber hinaus sind viele Fadenwürmer parasitär , wie zum Beispiel die uns am besten bekannten Spulwürmer .

Vielfalt des Stammes Nematoden, wobei a ein Spulwurm und b Caenorhabditis elegans ist | Blumenthal & Davis / Nature Genetics (2004)

Verglichen mit dem Nudelspulwurm, der eine Länge von 30 Zentimetern erreichen kann, ist der Caenorhabditis elegans zierlich. Ausgewachsene Exemplare sind nur 1 Millimeter lang, haben einen spitzen Kopf und Schwanz und in der Mitte einen Zylinder, der sich frei biegen kann. Sein Gattungsname Caenorhabditis enthält das Wurzelwort „stäbchenförmig“ (rhabditis), während sein spezifischer Name elegans „schön, elegant“ bedeutet. Wenn Sie die sinusförmige, wellenartige Bewegung von Caenorhabditis elegans beobachten, werden Sie wahrscheinlich verstehen, wie dieser durchsichtige und farblose „kleine Käfer“ zu seinem Namen kam. Im Gegensatz zu Spulwürmern ist C. elegans ein nicht-parasitärer Fadenwurm .

Die „elegante“ Fortbewegungsart von Caenorhabditis elegans | Bob Goldstein / wikimedia

Nematoden legen sich einfach hin und laufen

Obwohl Fadenwürmer klein sind, verfügen sie über alle Organe. Als Tier, das wie der Mensch drei Keimblätter in seiner Entwicklung hat, entwickelt sich das Ektoderm von Caenorhabditis elegans zu einem „Syncytium“ aus mehreren Zellfusionen. Es ist diese Strukturschicht, die Kollagen absondert, das die „Haut“ bildet, die den gesamten Körper bedeckt . Es handelt sich um ein „Exoskelett“, das beim Wachstum des Wurms abgeworfen und erneuert werden kann. Dies ist auch ein Merkmal des Stammes Nematoda und weist auf eine enge Verwandtschaft mit dem Stamm Arthropoda hin, der ebenfalls seine Haut abwirft.

Die Pfeile zeigen das „Exoskelett“, das durch die Verschmelzung verschiedener Körperteile des Fadenwurms entsteht.丨wormatlas.com

Unterhalb der Hirnrinde befinden sich vier aus dem Mesoderm gebildete Muskelbänder , die der Länge nach über den Körper verlaufen und von einer Reihe miteinander verbundener Nervenzellen gesteuert werden. Aufgrund der Art und Weise, wie sich die Muskeln zusammenziehen, handelt es sich bei dem animierten Bild tatsächlich um eine „Beugung“ in dorsaler und ventraler Richtung, sodass der normale C. elegans immer auf der Seite liegend läuft .

Die Muskelbündel von Caenorhabditis elegans werden mithilfe der Immunfluoreszenzfärbung dargestellt丨wormbook.org

Im Inneren des Muskels befindet sich eine mit Flüssigkeit gefüllte Pseudokörperhöhle und weiter innen ein gerader Verdauungstrakt – hinter dem Mund liegt der Rachen mit Muskelzellen, die Nahrung zerkleinern können, und weiter hinten liegt der Darm; Vor und hinter dem Darm befindet sich ein kleiner Kreis kreisförmiger Zellen, die zwei „Ventile“ bilden, die geöffnet und geschlossen werden können. Dies entspricht unserer menschlichen Kardia (dem Eingang der Speiseröhre zum Magen) und unserem Anus. Die langen Geschlechtsdrüsen liegen neben dem Verdauungstrakt.

Ein „echter Mann“ ist einer unter tausend

Aus menschlicher Sicht ist die Fortpflanzungsmethode von Caenorhabditis elegans ziemlich eigenartig, da es zwei Geschlechter gibt: „Hermaphroditen“ und „Männchen“. Die überwiegende Mehrheit der Individuen einer normal wachsenden Population sind Hermaphroditen : Im unreifen Entwicklungsstadium produzieren Hermaphroditen Spermien und speichern sie in den Gonaden; Ausgewachsene Individuen produzieren Eizellen, die sich mit vorbereitetem Sperma zu befruchteten Eizellen verbinden.

Die innere Struktur von Hermaphroditen丨wormatlas.org

Ein Hermaphrodit ist technisch gesehen ein Weibchen, dessen Genom aus fünf Autosomenpaaren und zwei X-Geschlechtschromosomen besteht. Die resultierenden Spermien und Eizellen enthalten einen Satz von fünf Autosomen und ein X-Chromosom, sodass die nach der Kombination entstehenden Embryonen natürlicherweise größtenteils Hermaphroditen sind (5*2+2X).

Es besteht jedoch eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, dass die befruchtete Eizelle zufällig ein X-Chromosom verliert und sich zu einem männlichen Individuum entwickelt, das man als „echten Mann“ unter Tausenden (5*2+X) bezeichnen kann. Bei der Selbstbefruchtung eines Hermaphroditen können etwa 300 befruchtete Eier entstehen, während die Zahl der Nachkommen 1.000 übersteigen kann, wenn ein männliches Individuum einen Hermaphroditen befruchtet.

Nach der Begegnung mit einem Hermaphroditen hat das Männchen „intimen Kontakt“ mit der anderen Partei und nutzt die fächerförmige Struktur des Schwanzes, um die Öffnung der Gonade für die Befruchtung zu finden. Kbrugman / Wikimedia

Wie die Vervierfachung des Nobelpreises zustande kam

Die wichtigste Funktion von Caenorhabditis elegans besteht darin , ein Modellorganismus für die wissenschaftliche Forschung zu sein. In den 1950er Jahren, als die Forschung zur biologischen Genetik zu florieren begann, leistete der südafrikanische Biologe Sydney Brenner große Beiträge zur Entwicklung der Molekularbiologie, wandte sein Interesse dann jedoch den neuronalen Entwicklungsmechanismen von Organismen zu. Das menschliche Nervensystem besteht jedoch aus 100 Milliarden Neuronen. Wie können wir es studieren? Brenner fand den Fadenwurm Caenorhabditis elegans mit „besonderen Fähigkeiten“.

Zunächst einmal ist Caenorhabditis elegans klein, hat eine einfache Ernährung, wächst schnell und ist sehr vital . Wenn Sie eine Schicht E. coli auf einer in Laboren üblicherweise verwendeten Agarplatte züchten und dann die Fadenwürmer darauf setzen, fressen und vermehren sich die Fadenwürmer gleichzeitig freudig und können bei Zimmertemperatur in drei bis vier Tagen eine Generation hervorbringen. Ihre Lebensdauer beträgt etwa drei Wochen. Experimentierfreudige wollen Urlaub? Kein Problem . Legen Sie den Teller zum Einfrieren direkt in einen -80 °C kalten Kühlschrank. Wenn Sie von der Reise zurückkommen, tauen Sie es auf. Die Fadenwürmer sind noch immer am Leben und wohlauf. Hermaphroditen sind selbstfruchtbar und können leicht vermehrt werden, während die Anwesenheit von Männchen die Hybridisierung verschiedener Genotypen erleichtert.

In der Mitte der Petrischale befindet sich eine E. coli-Kolonie, und der schwarze Kreis darum ist eine Bodenprobe, die Caenorhabditis elegans enthält (A); Die bakterienfressenden Fadenwürmer werden durch die Nahrung angelockt und bohren sich aus dem Boden. Diese aktiven Fadenwurm-Individuen werden für die nächste Reproduktionsgeneration ausgewählt (B)丨Antoine Barrière & Marie-Anne Félix / wormbook.org

Zweitens ist die einfache und vollständige Körperstruktur von Fadenwürmern ein guter Ausgangspunkt für die Forschung . 1983 untersuchte der britische Wissenschaftler John Sulston die Entwicklung des Fadenwurms Caenorhabditis elegans. In einer Zeit ohne moderne Instrumente verließ sich Sulston auf die Beobachtung des durchsichtigen Wurmkörpers mit bloßem Auge unter einem optischen Mikroskop, um eine Entwicklungskarte aller Zellen des Fadenwurms zu zeichnen. Beginnend mit der ersten Teilung der befruchteten Eizelle sind bei jeder Zellteilung des Fadenwurms die Funktion und das Schicksal jeder einzelnen Zelle vollständig festgelegt. Dies ist die weltweit erste Zellentwicklungslinie eines mehrzelligen Organismus.

Mithilfe von Punkten zur Darstellung der Zellkörper von Nervenzellen und Linien zur Darstellung der Dendriten und Axone von Nervenzellen haben Wissenschaftler eine Karte der Nervenzellen von Fadenwürmern gezeichnet. | Der OpenWorm

Heute wird in fast allen Lehrbüchern zur Entwicklungsbiologie erwähnt, dass hermaphroditische Fadenwürmer während ihrer Entwicklung 1.090 Zellen produzieren, von denen 131 ein normales Apoptoseprogramm einleiten und nach der Produktion absterben, sodass nur 959 übrig bleiben. Im Jahr 2002 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an drei Wissenschaftler, Brenner, Sulston und Howard Robert Horvitz, verliehen, in Anerkennung ihrer Beiträge zur Erforschung der Regulierung der Organentwicklung und der programmierten Zellapoptose . Fadenwürmer haben den ersten Platz auf der Nobelpreisliste eingenommen .

Von links nach rechts: Brenner, Horwitz und Sulston. Leider ist Sulston im März 2018 verstorben. Nobelprize.org

Nur vier Jahre später wurde Andrew Fire und Craig Mello der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Aufklärung des RNA-Interferenzmechanismus bei Fadenwürmern verliehen. Die beiden entdeckten, dass der Organismus die doppelsträngige RNA von Krankheitserregern aus einer leeren Kontrollgruppe erkennen kann, die nicht die erwarteten Ergebnisse lieferte, und sie als „Leitfaden“ für den Angriff auf das Genom des Krankheitserregers verwenden kann. Heute ist die RNA-Interferenz ein gängiges Instrument in der biologischen Forschung. Fadenwürmer haben verdientermaßen beide Nobelpreise gewonnen.

Martin Chalfie, einer der drei Gewinner des Nobelpreises für Chemie 2008, verwendete bei seiner Forschung an Fadenwürmern grün fluoreszierendes Protein . Fadenwürmer vollenden den dreifachen Nobelpreis-Killer .

Ein Fadenwurm der Gattung Caenorhabditis elegans, in den das Gen für das grün fluoreszierende Protein eingefügt wurde. (Dan Dickinson, Goldstein-Labor, UNC Chapel Hill)

Und dann ist da noch der diesjährige Nobelpreis. Die Preisträger Ambrose und Rufkun untersuchten jeweils zwei mutierte Stämme des Fadenwurms, die Anomalien im Zeitpunkt der Genaktivierung während der Entwicklung aufwiesen. Sie entdeckten damit ein völlig neues Prinzip der Genregulation , das durch microRNA , einen bislang unbekannten RNA-Typ, realisiert wird.

Wir wissen heute, dass das menschliche Genom mehr als 1.000 Mikro-RNAs kodiert. Ohne microRNAs können sich Zellen und Gewebe nicht normal entwickeln. Diese wichtige Entdeckung ist untrennbar mit dem nützlichen Modellorganismus verbunden – dem Fadenwurm.

Das Leben ist voller Geheimnisse, wie ein anderes Universum. Das Bild zeigt den Caenorhabditis elegans nach der Fluoreszenzfärbung des Zellkerns丨queensu.ca

Tatsächlich haben Nematoden ein breiteres Anwendungsspektrum in der biologischen Forschung. Im Jahr 1998 wurde im Rahmen eines „Vorversuchs“ des Humangenomprojekts das gesamte Genom des Caenorhabditis elegans sequenziert, dem ersten mehrzelligen Organismus der Welt. Bis 2012 hatte das aus 302 Zellverbindungen bestehende neuronale Netzwerk der Fadenwürmer auch die „Konnektom“-Messung abgeschlossen.

Der elegante Caenorhabditis elegans wird den Menschen weiterhin die Wunder der Lebensmechanismen offenbaren.

Autor: Lupin

Dieser Artikel stammt von GuokrNature (ID: GuokrNature)