优雅的模式生物 -- 秀丽隐杆线虫-MedChemExpress

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秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditis elegans，C. elegans)，是一种无毒无害、可以独立生存的线虫。它是一种非寄生的线虫，主要以细菌为食，如埃希氏大肠杆菌 (Escherichia coli )，它不具有任何致病性，对人类没有什么危害。关于其 “秀丽” 的名字，其实来自于它的英文 “elegans”，也就是优雅的意思，因其运动优雅而得名。
秀丽隐杆线虫还有很特别的一个点，其为雌雄同体 (hermaphrodites)，雄性个体仅占群体的 0.2%，可自体受精或双性生殖。秀丽隐杆线虫生活在温度恒定的环境，平均寿命为二、三周，而发育一个世代仅约为 4 天。线虫的生命周期由一个胚胎期、四个幼虫期 (L1-L4) 和成年期组成 (图 1)。线虫可以保持在 16 到 25℃，通常在实验室设置成 20℃。在不利的条件下，包括食物有限、过度拥挤和/或高温，幼年线虫产生一种信息素，诱导它们进入 Dauer 阶段，使它们能够忍受长达几个月的不利条件 (直接封口放 4℃ 保存的原理)。当条件变得有利时，Dauer 状态结束，线虫从 L4 阶段重新进入生命周期。

  

图 1. 秀丽隐杆线虫生命周期阶段的显微图像[1]

  自 1965 年起，科学家 Sydney Brenner 利用线虫作为分子生物学和发育生物学研究领域的模式生物。和其它模式生物相比，秀丽隐杆线虫具有很多优点，首先寿命短且易于控制生长条件，使其成为研究先天免疫和衰老的模型。再者，因整个生命周期的透明性，易于维护克隆种群，基因的操纵，以及完全阐明的神经系统连接体中的神经元，秀丽隐杆线虫已被证明是解决发育和神经生物学中的生物学问题的理想模型。
目前，秀丽隐杆线虫已被用于多种人类疾病的研究和药物筛选，包括肿瘤、帕金森氏症、老年痴呆、糖尿病、多囊肾病等。下面小 M 主要分享下用秀丽隐杆线虫作为生物模型的一些研究。

胰岛素抵抗模型

胰岛素抵抗是指身体对胰岛素的敏感性降低，从而影响葡萄糖摄取和利用的一种病理状态。胰岛素抵抗可分为遗传异常引起的遗传性胰岛素抵抗综合征和胰岛素受体自身抗体引起的B型胰岛素抵抗综合征两类。

秀丽隐杆线虫与人类胰岛素信号的主要调控机制相似且高度保守。目前，在秀丽隐杆线虫基因组中已预测出约 40 个人类同源基因。TENG H 等以秀丽隐杆线虫为研究对象，建立秀丽隐杆线虫胰岛素抵抗模型，探讨 Rhodiola rosea 提取物对胰岛素抵抗的影响 [1]。通过用高糖 NGM 培养基培养秀丽隐杆线虫即可得到胰岛素抵抗模型。

具体方法为：在正常 NGM 培养基中加入 D-葡萄糖 (HY-B0389) 溶液，配制葡萄糖浓度为 40 mM 的高糖 NGM 培养基，摇匀后，将同步 dauer 蠕虫转移到含 OP50 菌液的高糖 NGM 培养基中，22℃ 培养 36 h，得到高糖胰岛素抵抗模型。

  TENG H 等 [1]通过建立秀丽隐杆线虫胰岛素抵抗模型，研究 Rhodiola rosea (R. rosea) 提取物对秀丽隐杆线虫葡萄糖水平、胰岛素信号强度、抗氧化酶及细胞凋亡的影响。结果表明在 200 μg/mL 浓度下，R. rosea 提取物处理线虫的胰岛素信号强度比正常组提高了 52.46%，葡萄糖含量降低了 72.13%，活性氧 (ROS) 水平降低了 36.84% (如图 2)。作者检测秀丽隐杆线虫细胞凋亡与 ROS 的方法如下：将处理后的成虫收集到 M9 缓冲液中，室温黑暗染色 1 h。然后用 3% 琼脂糖和 60 μg/mL 盐酸左旋咪唑 (Levamisole hydrochloride) 稳定线虫，在荧光显微镜下观察，荧光强度由 Image Pro Plus 6.0 量化。22℃ 干预 120 h 后，每组 30 只成虫用 M9 缓冲液洗涤 3 次，转移至 20 μL 100 μmol/L 2′,7′-二氯荧光素二醋酸盐(2′,7′-Dichlorofluorescein diacetate) 溶液中，室温下黑暗孵育30 min。采用酶标仪检测线虫的荧光强度。激发波长和发射波长分别为 488、525 nm。

图 2. 线虫的胰岛素抵抗模型

(a) 线虫的 Dauer 和成虫表型；(b) 治疗后秀丽隐杆线虫成虫百分比；(c) 线虫葡萄糖含量；(d) 线虫 ROS 水平。EAEL：在 100 μg/mL 浓度下提取 R. rosea；EAEH：在 200 μg/mL 浓度下提取 R. rosea；二甲双胍 (Metformin) 和钒酸盐 (Vanadate) 作为对照[2]。

肥胖模型

  肥胖通常表现为能量摄入超过能量消耗时出现的能量稳态失调。它已成为全球多种慢性疾病的主要诱因之一，包括糖尿病、心血管疾病和高血压。秀丽隐杆线虫是探索脂肪储存的遗传调控的一个很好的模型，因为人类脂肪合成和分解途径的许多方面在这种简单的模式生物中是保守的。秀丽隐杆线虫已被广泛用于肥胖研究的体内模型，通常通过确定甘油三酯积累作为终点，同时测量食物摄入和能量消耗。

Haerkens F 等  使用高通量半自动秀丽隐杆线虫筛选平台识别具有抗肥胖作用的化合物 [3]。在研究中通过染料尼罗红(Nile Red) 观察秀丽隐杆线虫的脂肪含量 (如图 3)。染料尼罗红被用来染色和量化线虫中的脂肪储存，而不影响生长、发育或生存。尼罗红积聚在线虫肠道的亚细胞区室，溶酶体相关的细胞器，具有强浓度的极性脂质，使染料具有强荧光，其强度与脂肪含量相关。

  图 3. 秀丽隐杆线虫在固体介质中接触药物后脂肪含量显著降低[3]

阿尔茨海默病

阿尔茨海默病 (AD) 是一种神经退行性疾病，其特征为智力衰退、记忆丧失和认知功能退化。据估计，这种不断上升的疾病影响了全球 4,000 多万人，随着人口老龄化，它越来越成为人类关注的一个主要问题。秀丽隐杆线虫具有非常明确且遗传上易于控制的神经系统，这为探索可能是复杂人类神经疾病基础的基本机制途径提供了一个有效的模型。秀丽隐杆线虫已经成为研究 AD 的有前途的活体模型。由于秀丽隐杆线虫不会自然形成异常的 Aβ 和 Tau 聚集体，因此构建了多种表达人类病理蛋白的线虫菌株用于 AD 研究。转基因线虫 AD 模型可分为两类: Aβ 模型和 tau 模型，是专门设计和构建的，以模拟 Aβ 和 tau 在 AD 发展中的病理作用。Morales-Zavala F 等 使用在肌肉细胞中表达人类 Aβ1-42 肽的转基因秀丽隐杆线虫可作为阿尔茨海默病模型，研究表明 GNRs-D1/Ang2 在线虫体内调节Aβ聚集(如图 4)  且改善 Aβ 转基因线虫的运动性[4] 。

左右滑动图 4. GNRs-D1/Ang2 在体内调节Aβ聚集[4]

(a) 左图为 3 日龄 Aβ 虫 ThS (Thioflavine S) 染色头部荧光图像。图像显示头部肌肉中淀粉样蛋白聚集。a 和 b 代表未处理的蠕虫，c 和 d 表示 1.5 nM GNR-D1/Ang2 处理的蠕虫，e 和 f 表示 1 μM D1 肽处理的蠕虫。(b) 头部区域 ThS 阳性淀粉样蛋白聚集物总数的定量。(c) 头部区域淀粉样沉积物大小的量化。(d) ThS 正聚合物覆盖的头部面积的百分比。

除了以上这些研究，还可以作为衰老等其他模型研究。秀丽隐杆线虫已被广泛应用于多个领域的科学研究。近期，YongluLi 等也指出了秀丽隐杆线虫在食品科学研究方面的机遇和挑战 [5]。线虫虽小，功能不小，优雅，太优雅了！



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  参考文献
[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.