19.1.12: Caenorhabditis Elegans

Caenorhabditis elegans es un nematodo microscópico (~1 mm) (lombriz intestinal) que normalmente vive en el suelo. Se ha convertido en uno de los organismos “modelo” en biología. Es un verdadero animal con al menos rudimentos de los sistemas fisiológicos -alimentación, nervioso, muscular, reproductivo- que se encuentra en animales “superiores” como ratones y humanos. Sin embargo, es tan pequeño que se pueden elevar grandes números en placas de Petri (donde se alimenta con E. coli, otro organismo modelo). Se reproduce rápidamente.

Figura 1: Diagrama anatómico lateral (lado izquierdo) de un nematodo hermafrodita en etapa adulta Caenorhabditis elegans (C. elegans) con énfasis en los sistemas digestivo y reproductivo. (CC BY-SA 3.0; K. D. Schroeder).

Es transparente para que todas las células del animal vivo puedan verse bajo el microscopio desde el óvulo fertilizado hasta las 556 células del gusano recién eclosionado y, posteriormente, las 959 células somáticas, y un número variable de células germinales, del gusano adulto. Se puede transformar fácilmente con transgenes - ADN inyectado en el animal. También se puede tratar con ARN antisentido. Antes de morir (después de 2-3 semanas), muestra signos de envejecimiento y, por lo tanto, puede proporcionar pistas generales sobre el proceso de envejecimiento.

Sus células contienen 5 pares de autosomas y 2 cromosomas X. Estos animales son hermafroditas, produciendo tanto esperma como óvulos. La mayoría de las veces se fertilizan ellos mismos, de manera que cualquier alelo recesivo rápidamente se vuelve homocigótico y afecta el fenotipo. En raras ocasiones, la no disyunción ocurre durante la meiosis con la pérdida de un cromosoma X. Los animales con una sola X son machos y son capaces de fertilizar los huevos de los hermafroditas (con más éxito del que ellos mismos tienen).

C. elegans fue el primer eucariota multicelular en tener todo su genoma secuenciado. Contiene unos 19—20,000 genes que codifican proteínas incorporados en 100,258,171 pares de bases de ADN. A diferencia de otros eucariotas, alrededor del 13-15% de sus genes están agrupados en operones que contienen 2—8 genes cada uno.

C. elegans Fertilización

Como todos los animales, C. elegans inicia la vida como un óvulo fertilizado (cigoto) que luego sufre las divisiones mitóticas necesarias para producir el adulto. Debido a que el gusano es transparente y el patrón de diferenciación es tan rígido que ha sido posible rastrear el linaje de cada célula somática en el animal. Justo después de la eclosión, contiene 556 celdas y tiene aproximadamente 0.3 mm de largo. Después de alcanzar la madurez, contendrá 959 células somáticas y un número variable de células germinales en su gónada.

Los diagramas siguientes muestran la vía por la cual cada una de las 556 células en la larva de C. elegans se ha desarrollado a partir del cigoto. La longitud relativa de las líneas verticales indica la longitud del intervalo antes de la siguiente mitosis. Algunas vías terminan en la muerte programada de la célula (apoptosis) incluso antes de que la larva esté completa.

Figura 19.1.12.2 Vía de 556 células en larva de C. elegans. (Adaptado, con permiso, de J. Sulston, et al., en Monografía 17. Copyright © Laboratorio Cold Spring Harbor, NY.)

Se han encontrado varias características notables a partir de estos estudios. El patrón de desarrollo es invariable de gusano a gusano. Cada una de las 556 células que componen la larva recién eclosionada se desarrolla a partir de un patrón rígido de división mitótica que conduce de nuevo al cigoto. 131 células en el embrión en desarrollo mueren por apoptosis. Esta muerte celular no es aleatoria; qué células morirán y en qué etapa es completamente predecible. Cualquier falla en esta muerte celular programada puede dar lugar a anomalías graves.

Cada órgano -piel, nervio, músculo, etc.- está hecho de células derivadas de varios linajes diferentes. Uno podría haber esperado que las primeras divisiones celulares producirían células hijas destinadas a formar una sola estructura en el embrión. Pero ese no es generalmente el caso. En cambio, la mayoría de las células más tempranas producirán descendientes que se unen con otros grupos de células para formar los diversos órganos del animal.

Hay menos flexibilidad de destino celular que la que ocurre en mamíferos (o incluso anfibios). Con un rayo láser microscópico, una sola célula puede ser destruida en el embrión en desarrollo. A menudo el resultado es que todas las células que habrían descendido de esa célula no logran formarse. Las células vecinas pueden no compensar la pérdida ya que lo hacen libremente en mamíferos. Entonces parece que los controles de desarrollo de C. elegans se basan más en señales intrínsecas celulares que en señales inductivas. Pero esta distinción es relativa, no absoluta. Las células originalmente destinadas a un destino diferente cambiarán en algunos casos su camino de diferenciación para reemplazar las células muertas por el láser. En estos casos, el interruptor está claramente mediado por señales inductivas liberadas por células cercanas.