模式生物秀麗隱桿線蟲在各類疾病研究中的應(yīng)用

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。它是一種非寄生的線蟲，主要以細(xì)菌為食，如埃希氏大腸桿菌 (Escherichia coli )，它不具有任何致病性，對人類沒有什么危害。關(guān)于其 “秀麗” 的名字，其實來自于它的英文 “elegans”，也就是優(yōu)雅的意思，因其運動優(yōu)雅而得名。
秀麗隱桿線蟲還有很特別的一個點，其為雌雄同體 (hermaphrodites)，雄性個體僅占群體的 0.2%，可自體受精或雙性生殖。秀麗隱桿線蟲生活在溫度恒定的環(huán)境，平均壽命為二、三周，而發(fā)育一個世代僅約為 4 天。線蟲的生命周期由一個胚胎期、四個幼蟲期 (L1-L4) 和成年期組成 (圖 1)。線蟲可以保持在 16 到 25℃，通常在實驗室設(shè)置成 20℃。在不利的條件下，包括食物有限、過度擁擠和/或高溫，幼年線蟲產(chǎn)生一種信息素，誘導(dǎo)它們進(jìn)入 Dauer 階段，使它們能夠忍受長達(dá)幾個月的不利條件 (直接封口放 4℃ 保存的原理)。當(dāng)條件變得有利時，Dauer 狀態(tài)結(jié)束，線蟲從 L4 階段重新進(jìn)入生命周期。
 

圖 1. 秀麗隱桿線蟲生命周期階段的顯微圖像^[1]

 

自 1965 年起，科學(xué)家 Sydney Brenner 利用線蟲作為分子生物學(xué)和發(fā)育生物學(xué)研究領(lǐng)域的模式生物。和其它模式生物相比，秀麗隱桿線蟲具有很多優(yōu)點，首先壽命短且易于控制生長條件，使其成為研究先天免疫和衰老的模型。再者，因整個生命周期的透明性，易于維護(hù)克隆種群，基因的操縱，以及完全闡明的神經(jīng)系統(tǒng)連接體中的神經(jīng)元，秀麗隱桿線蟲已被證明是解決發(fā)育和神經(jīng)生物學(xué)中的生物學(xué)問題的理想模型。

目前，秀麗隱桿線蟲已被用于多種人類疾病的研究和藥物篩選，包括腫瘤、帕金森氏癥、老年癡呆、糖尿病、多囊腎病等。下面小 M 主要分享下用秀麗隱桿線蟲作為生物模型的一些研究。

 

胰島素抵抗是指身體對胰島素的敏感性降低，從而影響葡萄糖攝取和利用的一種病理狀態(tài)。胰島素抵抗可分為遺傳異常引起的遺傳性胰島素抵抗綜合征和胰島素受體自身抗體引起的B型胰島素抵抗綜合征兩類。

秀麗隱桿線蟲與人類胰島素信號的主要調(diào)控機(jī)制相似且高度保守。目前，在秀麗隱桿線蟲基因組中已預(yù)測出約 40 個人類同源基因。TENG H 等以秀麗隱桿線蟲為研究對象，建立秀麗隱桿線蟲胰島素抵抗模型，探討 Rhodiola rosea 提取物對胰島素抵抗的影響
 ^[1]。通過用高糖 NGM 培養(yǎng)基培養(yǎng)秀麗隱桿線蟲即可得到胰島素抵抗模型。
 
 
 

具體方法為：在正常 NGM 培養(yǎng)基中加入 D-葡萄糖 (HY-B0389) 溶液，配制葡萄糖濃度為 40 mM 的高糖 NGM 培養(yǎng)基，搖勻后，將同步 dauer 蠕蟲轉(zhuǎn)移到含 OP50 菌液的高糖 NGM 培養(yǎng)基中，22℃ 培養(yǎng) 36 h，得到高糖胰島素抵抗模型。

 
TENG H 等^[1]通過建立秀麗隱桿線蟲胰島素抵抗模型，研究 Rhodiola rosea (R. rosea) 提取物對秀麗隱桿線蟲葡萄糖水平、胰島素信號強(qiáng)度、抗氧化酶及細(xì)胞凋亡的影響。
結(jié)果表明在 200 μg/mL 濃度下，R. rosea 提取物處理線蟲的胰島素信號強(qiáng)度比正常組提高了 52.46%，葡萄糖含量降低了 72.13%，活性氧 (ROS) 水平降低了 36.84% (如圖 2)。作者檢測秀麗隱桿線蟲細(xì)胞凋亡與 ROS 的方法如下：將處理后的成蟲收集到 M9 緩沖液中，室溫黑暗染色 1 h。然后用 3% 瓊脂糖和 60 μg/mL 鹽酸左旋咪唑 (Levamisole hydrochloride) 穩(wěn)定線蟲，在熒光顯微鏡下觀察，熒光強(qiáng)度由 Image Pro Plus 6.0 量化。22℃ 干預(yù) 120 h 后，每組 30 只成蟲用 M9 緩沖液洗滌 3 次，轉(zhuǎn)移至 20 μL 100 μmol/L 2′,7′-二氯熒光素二醋酸鹽(2′,7′-Dichlorofluorescein diacetate) 溶液中，室溫下黑暗孵育30 min。采用酶標(biāo)儀檢測線蟲的熒光強(qiáng)度。激發(fā)波長和發(fā)射波長分別為 488、525 nm。

圖 2. 線蟲的胰島素抵抗模型

(a) 線蟲的 Dauer 和成蟲表型；(b) 治療后秀麗隱桿線蟲成蟲百分比；(c) 線蟲葡萄糖含量；(d) 線蟲 ROS 水平。EAEL：在 100 μg/mL 濃度下提取 R. rosea；EAEH：在 200 μg/mL 濃度下提取 R. rosea；二甲雙胍 (Metformin) 和釩酸鹽 (Vanadate) 作為對照^[2]。 

 

肥胖通常表現(xiàn)為能量攝入超過能量消耗時出現(xiàn)的能量穩(wěn)態(tài)失調(diào)。它已成為全球多種慢性疾病的主要誘因之一，包括糖尿病、心血管疾病和高血壓。秀麗隱桿線蟲是探索脂肪儲存的遺傳調(diào)控的一個很好的模型，因為人類脂肪合成和分解途徑的許多方面在這種簡單的模式生物中是保守的。秀麗隱桿線蟲已被廣泛用于肥胖研究的體內(nèi)模型，通常通過確定甘油三酯積累作為終點，同時測量食物攝入和能量消耗。

Haerkens F 等使用高通量半自動秀麗隱桿線蟲篩選平臺識別具有抗肥胖作用的化合物
 ^[3]。在研究中通過染料尼羅紅(Nile Red) 觀察秀麗隱桿線蟲的脂肪含量 (如圖 3)。染料尼羅紅被用來染色和量化線蟲中的脂肪儲存，而不影響生長、發(fā)育或生存。尼羅紅積聚在線蟲腸道的亞細(xì)胞區(qū)室，溶酶體相關(guān)的細(xì)胞器，具有強(qiáng)濃度的極性脂質(zhì)，使染料具有強(qiáng)熒光，其強(qiáng)度與脂肪含量相關(guān)。

   
阿爾茨海默病 (AD) 是一種神經(jīng)退行性疾病，其特征為智力衰退、記憶喪失和認(rèn)知功能退化。據(jù)估計，這種不斷上升的疾病影響了全球 4,000 多萬人，隨著人口老齡化，它越來越成為人類關(guān)注的一個主要問題。秀麗隱桿線蟲具有非常明確且遺傳上易于控制的神經(jīng)系統(tǒng)，這為探索可能是復(fù)雜人類神經(jīng)疾病基礎(chǔ)的基本機(jī)制途徑提供了一個有效的模型。秀麗隱桿線蟲已經(jīng)成為研究 AD 的有前途的活體模型。
由于秀麗隱桿線蟲不會自然形成異常的 Aβ 和 Tau 聚集體，因此構(gòu)建了多種表達(dá)人類病理蛋白的線蟲菌株用于 AD 研究。轉(zhuǎn)基因線蟲 AD 模型可分為兩類: Aβ 模型和 tau 模型，是專門設(shè)計和構(gòu)建的，以模擬 Aβ 和 tau 在 AD 發(fā)展中的病理作用。Morales-Zavala F 等
 
使用在肌肉細(xì)胞中表達(dá)人類 Aβ1-42 肽的轉(zhuǎn)基因秀麗隱桿線蟲可作為阿爾茨海默病模型，研究表明 GNRs-D1/Ang2 在線蟲體內(nèi)調(diào)節(jié)Aβ聚集(如圖 4) 且改善 Aβ 轉(zhuǎn)基因線蟲的運動性^[4]。



左右滑動

圖 4. GNRs-D1/Ang2 在體內(nèi)調(diào)節(jié)Aβ聚集^[4]

(a) 左圖為 3 日齡 Aβ 蟲 ThS (Thioflavine S) 染色頭部熒光圖像。圖像顯示頭部肌肉中淀粉樣蛋白聚集。a 和 b 代表未處理的蠕蟲，c 和 d 表示 1.5 nM GNR-D1/Ang2 處理的蠕蟲，e 和 f 表示 1 μM D1 肽處理的蠕蟲。(b) 頭部區(qū)域 ThS 陽性淀粉樣蛋白聚集物總數(shù)的定量。(c) 頭部區(qū)域淀粉樣沉積物大小的量化。(d) ThS 正聚合物覆蓋的頭部面積的百分比。

除了以上這些研究，還可以作為衰老等其他模型研究。秀麗隱桿線蟲已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域的科學(xué)研究。近期，YongluLi 等也指出了秀麗隱桿線蟲在食品科學(xué)研究方面的機(jī)遇和挑戰(zhàn)^[5]。線蟲雖小，功能不小，優(yōu)雅，太優(yōu)雅了！

 

相關(guān)產(chǎn)品

Metformin 抑制肝臟中的線粒體呼吸鏈，導(dǎo)致 AMPK 活化，增強(qiáng)胰島素敏感性，可用于 2 型糖尿病的研究。Metformin 可以透過血腦屏障，誘導(dǎo)自噬 (autophagy)。

Nile Red 親脂染色。尼羅紅具有環(huán)境敏感性熒光。尼羅紅在富脂環(huán)境中熒光強(qiáng)烈，而在水介質(zhì)中熒光微弱。尼羅紅是熒光顯微鏡和流式細(xì)胞熒光法檢測細(xì)胞內(nèi)脂滴的極好的重要染色劑。尼羅紅將細(xì)胞內(nèi)脂滴染成紅色。熒光波長559/635 nm。

Thioflavine S 一種熒光組織化學(xué)標(biāo)記物，可用于標(biāo)記老年斑塊的致密核心。

Levamisole hydrochloride 是驅(qū)蟲劑和免疫調(diào)節(jié)劑。Levamisole hydrochloride 對 HSV 病毒具有顯著的抗病毒作用。

D-Glucose (Glucose) 是一種單糖，是生物學(xué)中的重要碳水化合物。D-Glucose 是碳水化合物的甜味劑，是一般代謝的關(guān)鍵組成部分，并作為與細(xì)胞代謝狀態(tài)以及生物和非生物應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)的關(guān)鍵信號分子。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報，我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)

 
 

參考文獻(xiàn)

 

 

[1] Shen P, Yue Y, Park Y. Caenorhabditis elegans: A Convenient In Vivo Model for Assessing the Impact of Food Bioactive Compounds on Obesity, Aging, and Alzheimer's Disease. Annu Rev Food Sci Technol. 2018 Mar 25;9:1-22.
 
 
[2] Hui Teng, Lei Chen, et al. Effects of Rhodiola rosea and its major compounds on insulin resistance in Caenorhabditis elegans[J]. Journal of Future Foods, 2022, 2(4): 365-371.
 
[3] Haerkens F, Hughes S. A new use for old drugs: identifying compounds with an anti-obesity effect using a high through-put semi-automated Caenorhabditis elegans screening platform. Heliyon. 2022 Aug 11;8(8):e10108.
 
 
[4] Morales-Zavala F, Aldunate R, Kogan MJ, et al. Peptide multifunctionalized gold nanorods decrease toxicity of β-amyloid peptide in a Caenorhabditis elegans model of Alzheimer's disease. Nanomedicine. 2017 Oct;13(7):2341-2350.
 

 

[5] YongluLi, QingGu, et al. Caenorhabditis elegans: a nature present for advanced food science.Current Opinion in Food Science. 2023 February, 49, 100971.
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