[科普中国]-秀丽隐杆线虫

形态特征

秀丽隐杆线虫是一种食细菌的线性动物，其体长度1mm，通身透明，为雌雄同体，以细菌为食，居住在土壤中，属于自由生活线虫类，对人类没有什么危害。2它生活在温度恒定的环境，是唯一一个身体中的所有细胞，能被逐个盘点并各归其类的生物。

C. elegans呈蠕虫状（vermiform）、两侧对称（bilateral symmetry），体表有一层角质层（cuticle）覆盖物，无分节（segmentation），有四条主要的表皮索状组织（epidermal cord）及一个充满体液的假体腔（pseudocoelom），以微生物（microorganism）为食，如埃希氏大肠杆菌(Escherichia coli）。C. elegans基本解剖构造包括一个口、咽、肠、性腺，及胶原蛋白角质层（collagenous cuticle）。有雄性及雌雄同体（hermaphrodite）两种性别，雄性有一个单叶性腺(single-lobed gonad），输精管，及一个特化为交配用的尾部。雌雄同体有两个卵巢、输卵管、藏精器，及单一子宫。绝大多数个体为雌雄同体，雄性仅占0.05%。生命周期：雌雄同体个体产卵孵化后，经历四个幼虫期（L1-L4）。当族群拥挤或食物不足时，C. elegans会进入另一种幼虫期，叫做dauer幼虫。Dauer能对抗逆境，而且不会老化。雌雄同体个体在L4期生产精子、并在成虫期产卵。而雄性也能使雌雄同体受精，雌雄同体会优先选择雄性的精子。在实验室20 °C的环境下，C. elegans平均寿命为二、三周，而发育一个世代仅约为4天。

C. elegans有五对常染色体(autosome）和一对性染色体(sex chromsome）。是一个染色体数很少的二倍体。

研究历史1900年，Maupas把这种棒状的蠕虫命名为Rhabditis elegans，因为群体繁殖为“r-选择”的缘故，早在1948年Dougherty and Calhoun 便指出了它在遗传学研究中的重要性。1952年，Osche把它置于Caenorhabditis亚属，1955年Dougherty最终把它命名为Caenorhabditis elegans（其中Caeno意为 recent; rhabditis意为 rod; elegans意为nice）。广泛使用N2 Bristol品系，由Staniland从英格兰Bristol附近的蘑菇堆肥中分离，1965年被定为参考种N2。在此过程中，Dougherty建立了线虫的琼脂板接种，大肠杆菌的培养方法和无菌单培养方法。对秀丽线虫的早期研究工作，主要集中在解剖、营养、生理和生殖等方面，直到1960s中期，随着DNA双螺旋结构的揭示和遗传密码的发现，使得当时的生物学家认为，“人脑是生命科学研究的最后堡垒。”

1963年，Sydney Brenner在写给剑桥大学分子生物学实验室主任Perutz的信中指出：“几乎所有的经典的分子生物学问题已经解决或在今后几十年内将得到解决，……今后分子生物学的任务，是深入的探讨生命科学的其它领域，特别是发育和神经系统”。在此背景下，Brenner着手寻找一种具有生活周期短，个体小容易繁殖的后生动物，1963年10月，他从Dougherty实验室获得了线虫Bristol品系，并对此开展不懈的研究。在早期的研究工作中，Brenner分离得到了一些营养突变体，他转而使用EMS处理线虫，首先获得一种短小矮胖的个体，被命名为dpy-1。

到1974年Brenner的论文The Genetics of Caenorhabditis elegans发表时，通过EMS诱变一共获得300多个线虫突变体，其中多数为隐性突变。突变表型涉及行为、运动和形态结构等方面，这些突变材料使得100多个基因得以表征，并被定位于6个连锁群。秀丽线虫作为模式生物的优越性也日渐显示，如通体透明，体细胞数目恒定，特定细胞位置固定等，这使得它成为研究个体发生的良好材料。Sulston通过活体观察线虫的胚胎发育和细胞迁移途径，于1983年完成线虫从受精卵到成体的细胞谱系，是发育生物学史上具有里程碑性的发现，随后秀丽线虫在胚胎发育、性别决定、细胞凋亡、行为与神经生物学等方面研究中得到广泛应用。其中Brenner，Sulston和Horvitz因在线虫的遗传与发育方面的成就，获得2002年诺贝尔医学或生理学奖。从1980年代中期开始的线虫基因组测序工作，于1998年完成，同年Fire建立了线虫RNA干扰技术，该技术可以方便的沉默特定的基因，即通过反向遗传学（reverse genetics）研究特定基因的功能，在生命科学的许多领域得到应用，2006年Fire和Mello因此而获得诺贝尔医学或生理学奖。

细胞特征C. elegans的优势在于为一种多细胞(multicellular)真核生物(eukaryote）。雌雄同体成虫有959个体细胞；雄成虫有1031个。且每一个体细胞(somatic cell）（）的发育情况都研究得较为清楚。这个细胞世系(cell lineage）的规律在各个个体之间是几乎不变的。两种性别的个体，都有许多多出的细胞（雌雄同体131个，大部分原本会成为神经元）将经由细胞凋亡(apoptosis）的过程被除去。除此之外，C. elegans还是有最简单的神经系统(nervous system）的生物之一。在雌雄同体中，总共有302个神经元(neuron），其连结形式也已完全被建立出来（small-world network）。更多研究探索了与C. elegans的一些特殊行为有密切关连的神经机制，包括趋化性(chemotaxis）、趋温性(thermotaxis），以及雄性交配行为。

秀丽隐杆线虫存在雌雄同体(hermaphrodite)和雄性两类不同生物型。在雌雄同体生物型中，每尾线虫既含有卵子又含有精子，精卵在体内受精，胚胎在生殖腺管内发育，幼虫由阴门产出。雌雄同体个体自体受精的结果可产生非常纯合的基因型。雌雄同体个体性别决定的染色体机制为XX型，在偶然情况下，可产生大约0．2%的XO雄性个性。XO雄性个体可与雌雄同体个体交配产生后代，从而增加基因重组和新等位基因引入的机会。如果把线虫浸泡到含有核酸的溶液中，还可以用这种最简单的方式实现基因导入。3

生命周期秀丽隐杆线虫基本的生命周期如下：秀丽隐杆线虫由雌雄同体产下卵。卵在孵化后，会经历四个幼虫期（L1－L4）。当族群拥挤或食物不足时，秀丽隐杆线虫会进入另一种幼虫期，叫做dauer幼虫。Dauer能对抗逆境，而且不会老化。雌雄同体在L4期生产精子、并在成虫期产卵。雄性能使雌雄同体受精；雌雄同体会优先选择雄性的精子。秀丽隐杆线虫在实验室中20°C的情况下，平均寿命约为二、三周，而发育时间只须几天。

幼虫含有556个体细胞和2个原始生殖细胞，成虫则根据性别不同，具有不同的细胞数。最常见的雌雄同体成虫成熟后，含有959个体细胞和2000个生殖细胞，而较少见的雄性成虫，则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞。此外，线虫的生命周期很短，它从出生到性成熟的全过程只有3天半，这就使得不间断的观察并追踪每个细胞的演变成为可能。只要把线虫浸泡到含有核酸的溶液中，就可以用这种最简单的方式实现基因导入。线虫还可以被冻在冰箱里储存，复苏之后继续研究。通过20年的努力，到90年代中期，人们已经建立了完整的线虫从受精卵到所有成体细胞的谱系图。

胚胎期胚胎发生可以大致分成两个时期:增殖期和器官与型态形成期。在增值期受精卵会从一个细胞逐渐增殖成大约550个必要的未分化细胞，而增殖期又可以分为两个阶段，其中一个阶段是在母体内进行（在22°C的生长环境下约为受精后0－150分钟），这个阶段分裂出较少的创始者细胞，在增殖期结束时，胚胎形成一个含有三胚层的球型构造，这三个胚层分别是外胚层（之后分化生成皮下组织和神经系统）、中胚层（未来产生咽部和肌肉系统）和内胚层（以后生成生殖腺和肠道）。而另一个阶段则进行大量的细胞分裂和原肠形成（在22°C的生长环境下约为受精后150－350分钟），这个阶段持续到胚胎进入器官与型态形成期。

型态形成期在22°C的生长环境下约为受精后的5.5－5.6小时到12－14小时，胚胎会增长约三倍并形成完全分化的组织和器官，根据胚胎内观察到的虫体折叠数可以分为comma stage、1.5折叠期、2折叠期、3折叠期以及4折叠期。第一次的肌肉抽动在受精后430分钟可以被观察到（约为1.5折叠或2折叠期）；而在受精后约510分钟不同性别可以观察到发育差异（雌雄间性胚胎的头部伴护神经（cephalic companion neurons）死亡，雄性胚胎的雌雄间性特有神经（hermaphrodite-specific neurons）死亡），而在3折叠期的晚期；虫体运动神经系统已发育且可以在蛋里头顺着其长轴进行移动；而在4折叠期时（第一次细胞分裂后760分钟）胚胎的咽部开始进行收缩抽动；而在第一次细胞分裂后800分钟由蛋中孵化。

幼虫期（后胚胎发育期）后胚胎发育期由孵化后有食物提供刺激下启动，在有食物的情况下，细胞分裂持续且后胚胎发育开始于孵化后的三个小时，一般而言秀丽隐杆线虫经历四个阶段的幼虫期（L1、L2、L3、L4）后变成成体，许多在胚胎期即设置好的胚细胞于这四个阶段的幼虫期以时间及空间规划几乎不变的模式进行分裂，而这也给予了秀丽隐杆线虫固定数量细胞以及命定的细胞命运。而在胚胎期所产生的671个细胞核中，其中有113个细胞会在后胚胎发育的过程会进行计划性细胞凋亡，而剩下的558个细胞中只有百分之十的细胞（雌雄间性有51个细胞，雄性有55个细胞）是胚细胞且可以再进一步进行分裂。

倘若胚胎孵化后没有食物的供应，这些刚孵化的幼虫会停止继续发育并停留在这个阶段直到有食物提供为止，这些停止继续发育的幼虫细胞会停留在细胞周期的G1期（停止生长）且无法进行分裂，这些停止继续发育的幼虫在没有食物供应的情况下约可存活六到十天。

在L2幼虫期的末期，如果环境状况不适合继续生长的话，秀丽隐杆线虫的幼虫可能会进入dauer幼虫阶段，这些不适合生长的环境状况包括受到环境费洛蒙影响、食物匮乏、高温等，会促使幼虫进入L2d的幼虫阶段，这个阶段幼虫同时具有可以继续进入L3幼虫期或dauer幼虫期的潜力，若环境逆境太强则进入dauer，若环境转好则进入L3幼虫期，而dauer期为一个不会衰老的状态，因为dauer期的长短并不会影响dauer期后的虫体寿命。在取得食物供应后的一个小时内，dauer幼虫脱离dauer，二到三个小时之后开始进食，最后在十个小时后会蜕皮进入L4幼虫期。

成虫期在22°C到25°C的环境下，大概在孵化后的45－50小时就会变成成熟的雌雄间性并产下他的第一个卵，成体雌雄间性大约可以产生四天的卵细胞，在这段具有生殖力期间后的三到四天，成体会另外再存活十到十五天，自体受精的雌雄间性会产生大约300个后代（因为精子的数目是有限的），但是如果和雄性交配的话，雌雄间性会优先采用雄性的精子，此时后代数目可以增加到1200－1400个。雄性则在最后一次幼虫蜕皮后的六天具有和雌雄间性交配的能力，且大概可以产生3000个后代。

研究意义细胞凋亡现象及其机理，最早是在线虫中被揭示的。凋亡（apoptosis）是一个希腊文来源的词语，这个字眼表达的是花儿凋谢，树叶飘零的景色。“梧桐一叶落而知天下秋 ”、“搦搦兮秋风，洞庭波兮木叶下 ”的意象恐怕正是说的这种意境：优雅，含蓄，还带点淡淡的忧伤，更因为飘落时那种虽然有些无奈却坦然以受之的美。由于线虫研究开创了一个对今日生物医学发展，具有举足轻重的全新领域，同时也因为以线虫为基础的凋亡研究对基础和应用生物学，产生的巨大推动作用，卡罗林斯卡医学院的诺贝尔奖评选委员，会将年2002年生理和医学奖授予了，线虫生物学的开拓者：西德尼·布雷纳（Sydney Brenner）、约翰·萨尔斯顿（John Sulston）和线虫凋亡之父罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）。

今天，秀丽线虫因其遗传背景清楚、个体结构简单、生活史短、基因组测序完成等，在遗传与发育生物学、行为与神经生物学、衰老与寿命、人类遗传性疾病、病原体与生物机体的相互作用、药物筛选、动物的应急反应、环境生物学和信号传导等领域得到广泛应用。通过各国科学家的密切合作，线虫研究的资源共享体系，为研究人员提供了极大的方便，如由NIH资助的线虫种质中心（CGC）贮藏了大量的线虫品系，免费分发给世界各地的研究者，而AceDB系统为研究者提供了大量的有关线虫的信息，线虫的DNA序列可以在NCBI或Wormbase网站上进行在线比对。