Caenorhabditis elegans는 건강, 수명 및 스트레스에 대한 탄력성을 조사하기위한 강력하고 저렴한 방법을 갖춘 우수한 모델 시스템 역할을합니다.
모델 유기체로서의 Caenorhabditis elegans의 발견과 개발은 생물학, 특히 노화 분야에서 영향을 미쳤습니다. 많은 역사적, 현대적 연구에서는 유전자 돌연변이, 트랜스제닉 유전자 발현, 스트레스에 대한 유익하고 낮은 등급의 노출인 hormesis를 포함한 수천 가지의 수명을 변화시키는 패러다임을 확인했습니다. 짧은 수명, 쉽고 저렴한 유지 보수, 모든 인간 유전자의 거의 삼분의 일에 대한 상동성을 가진 완전히 서열화 된 게놈을 포함한 많은 장점을 통해 C. elegans 는 스트레스 및 노화 생물학을위한 뛰어난 모델로 빠르게 채택되었습니다. 여기에서는 거의 모든 연구 환경, 특히 장비 및 자금이 제한된 연구 환경에 쉽게 적용 할 수있는 수명과 건강 상태를 측정하기 위해 몇 가지 표준화 된 방법이 조사됩니다. C. elegans 의 놀라운 유용성은 광범위한 인프라의 필요없이 노화 생물학에서 강력한 유전 분석을 수행 할 수있는 능력을 강조합니다. 마지막으로, 각 분석의 한계와 대안적인 접근법이 고려를 위해 논의된다.
1974 년 시드니 브레너 (Sydney Brenner)가 가장 영향력있는 기사 중 하나 인 ‘Caenorhabditis elegans의 유전학’이 출판 된 이래로,이 현미경 웜은 생물학적 신비를 연구하는 뛰어난 모델 시스템으로 간주되어 왔습니다1. 1977년, 마이클 R. 클라스는 C. 엘레간스의 수명을 측정하는 방법을 발표하고 노화를 연구하기 위해 이 모델 시스템을 확립했다 2. 스트레스와 장수의 관계를 이해하기위한 조사는 1 세 유전자의 단일 돌연변이를 확인함으로써 시작되었으며, 이로 인해 C. elegans3의 수명 연장이 이루어졌습니다. 또한, 현대 연구는 스트레스에 대한 저항력을 증가시키는 오래 살았던 돌연변이 웜을 밝혀 낸 다른 수명을 증가시키는 돌연변이를 밝혀 냈습니다 4,5,6. 짧은 수명, 쉬운 유지, 모든 인간 질병 유발 유전자의 약 삼분의 일과의 상동성을 포함하는 완전히 서열화 된 게놈, RNA 간섭 (RNAi) 라이브러리의 가용성 및 용이성, 인간과의 생리적 유사성 7,8,9을 포함한 많은 장점을 통해 C. elegans는 스트레스 및 노화 생물학을위한 뛰어난 모델로 빠르게 채택되었습니다.
아마도 C. elegans의 가장 큰 유용성은 매우 낮은 유지 보수 비용, 실험 용이성 및 연구에 사용할 수있는 다양한 유전 도구입니다. C. 엘레간은 전형적으로 대장균 식품 공급원을 갖는 고체 한천 배지 상에서 성장한다. 일반적으로 사용되는 두 가지 대장균 균주는 표준 OP50, 아마도 가장 일반적으로 사용되는 B 균주 10 및 RNAi 실험 11,12 에 주로 사용되는K-12 균주HT115입니다. HT115 K-12 균주는 RNAi 방법에 필수적인 돌연변이인 RNAIII RNase에서 결실을 운반하며, 여기서 개별 C. 엘레간 유전자에 상응하는 dsRNA를 발현하는 플라스미드가 사용된다. dsRNA 공급 벡터는 이러한 플라스미드를 운반하는 박테리아가 선충류에 직접 공급될 수 있기 때문에 복잡한 교차 또는 게놈 편집 없이도 C. elegans 유전자의 강력한 녹다운을 허용합니다. 이러한 박테리아 RNAi 벡터의 수천은 HT115 배경에 존재하며, 여기에는 >19,000개의 개별 RNAi 구축물(13)을 갖는 가장 인기 있는 Vidal RNAi 라이브러리와 16,757개의 RNAi 구축물(14)이 있는 Ahringer RNAi 라이브러리가 포함된다. 그러나 OP50 및 HT115 박테리아 식단은 비타민 B1215,16의 차이를 포함하여 대사 프로파일에 큰 차이가 있습니다. 따라서 가능한 경우 단일 박테리아 공급원에 대한 모든 실험을 수행하여 앞서 설명한17,18,19와 같이 여러 가지 교란 요인을 도입 할 수있는 유전자 – 다이어트 상호 작용을 피하는 것이 좋습니다. 그것의 용이성으로 인해, 동물은 여기에 설명된 모든 실험 조건에 대해 OP50 상에서 유지되지만, 모든 실험은 앞서 설명된 바와 같이 HT115 상에서 수행된다20. 간략하게, 동물은 OP50에서 유지되고 RNAi 대 RNAi 실험 사이의 일관성을 위해 동기화 후 (표백 후) HT115로 옮겨진다. 대안적으로, 대장균 K12 HT115 균주에서 발견되는 RNAIII RNase의 유사한 결실을 운반하는 RNAi-적격 OP50 균주도 또한 사용될 수 있다(21).
아마도 C. elegans의 RNAi 실험에 대한 한 가지 주요 한계는 녹다운 효율성에 대한 우려입니다. 녹다운 효율은 qPCR 또는 웨스턴 블롯팅을 통해 검증할 수 있지만, 고가의 장비와 시약이 필요하며 대량 분석으로 제한됩니다. 이것은 RNAi에 불응성 (덜 민감한) 뉴런과 같은 특정 세포를 보는 것이 훨씬 더 우려됩니다. 특정 세포에서의 RNAi 효율은 dsRNA 흡수22에 필수적인 막횡단 단백질인 SID-1의 과발현을 통해 향상될 수 있지만, 이것은 여전히 이들 구축물에 사용되는 프로모터의 세포 유형-특이적 발현 패턴에 제한되며, 따라서 유전자 녹아웃 및 돌연변이는 유전자 기능을 고갈시키는 가장 확실한 수단이다. RNAi 매개 녹다운 외에도 C. elegans는 CRISPR 기반 전략 23,24,25 및 미세 주사를 통한 트랜스제닉 구축물 과발현을 통한 게놈 편집에 매우 적합하며, 조사 또는 트랜스포존 기반 통합을 통해 트랜스제닉 구축물을 통합할 수 있는 옵션 26,27,28,29 . 그러나 이러한 방법은 값 비싼 미세 주입 장비를 필요로하며, 가이드 RNA 또는 Cas9 효소의 높은 비용은 제한된 자금을 가진 기관에서 이러한 방법을 금지 할 수 있습니다. 대신, 수천 개의 트랜스제닉 라인과 돌연변이체는 Caenorhabditis Genetics Center (CGC)와 National Bioresource Project (NBRP)에서 몇 달러에 쉽게 구할 수 있습니다. NBRP는 공개되고 따라서 검증 된 돌연변이 균주, 파일럿 프로젝트에서 파생 된 돌연변이 및 아직 특성화되지 않은 돌연변이를 포함하여 많은 수의 C. elegans 유전자에 대해 분리 된 돌연변이를 제공합니다. 대조적으로, CGC는 연구 공동체에서 주로 출판되고 확립 된 C. elegans 라인의 보관소입니다. 둘 다 매우 합리적인 가격으로 전 세계적으로 균주를 운송하고 사내에서 균주를 합성 할 수있는 능력이 제한된 사람들에게 다양한 옵션을 제공합니다.
여기에서는 C. elegans의 수명과 건강 범위를 분석하기위한 가장 낮은 비용 방법 일 수있는 선별 된 방법 모음이 제공됩니다. 여기에 제시된 모든 방법은 저가의 장비와 소모품이 필요하며 CGC에서 쉽게 구할 수있는 균주 만 활용합니다. 아마도 C. elegans의 장수 및 생존 분석에서 가장 금지 된 것은 선충류 성장 배지 (NGM) 플레이트의 비용입니다. C. elegans는 hermaphrodite이고 자기 수정이기 때문에, 표준 생존 분석은 성인 동물이 자손의 오염을 피하기 위해 자손으로부터 지속적으로 멀리 이동하도록 요구합니다. 이 공정은 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 단일 수명 분석을 실행하기 위해 조건당 약 100개의 플레이트가 필요하기 때문에 비용이 많이 들 수 있습니다. 여기에서, 두 가지 대안이 제공된다: 온도-민감성 생식계열이 없는 돌연변이체, glp-4(bn2)의 활용, 또는 5-플루오로-2′-데옥시우리딘(FUDR)을 이용한 화학적 멸균. glp-4는 발릴아미노아실 tRNA 신테타제를 코딩하고, 온도-민감성 glp-4(bn2)는 단백질 번역30,31 감소로 인해 제한적인 온도에서 생식적으로 결핍된다. FUDR은 DNA 복제를 방지하여 C. elegans를 화학적으로 살균하여 재생32를 억제하는 강력한 방법입니다. FUDR은 일부 실험실에서 엄청나게 비쌀 수 있지만 웜을 화학적으로 살균하는 데 소량 만 필요하며 분말 형태의 안정성으로 인해 대부분의 그룹에서 실현 가능할 수 있습니다. 온도에 민감한 glp-4 (bn2) 돌연변이를 활용하는 것은 동물을 제한적인 25 °C로 이동시키는 인큐베이터이기 때문에 확실히 가장 저렴한 옵션입니다. 그러나, 25°C에서의 성장은 가벼운 열 응력(33,34)을 야기할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 방법에 관계없이 멸균 동물을 사용하면 연령 관련 분석에 필요한 소모품 비용을 크게 줄일 수 있습니다.
노화를 연구하기 위해 표준 수명 분석은 수명을 변화시키는 패러다임이 노화에 직접적인 영향을 미치기 때문에 전통적입니다. 그러나 건강 범위 및 스트레스 내성의 측정은 유기체의 건강에 대한 추가 정보를 제공합니다. 여기에서, 건강 범위를 측정하기 위해 몇 가지 방법이 제공됩니다 : 1) 생식 건강의 척도로서의 번식력; 2) 해고 된 자손의 발달 건강과 생존 가능성의 척도로서의 새끼 크기; 3) 근육 기능과 운동성의 척도로서의 운동 적 행동, 둘 다 노화와 직접 관련이 있습니다. 또한, 응력 내성에 대한 분석이 제공됩니다 : ER 스트레스에 대한 생존, 미토콘드리아 / 산화 스트레스 및 열 스트레스 생존. 실제로, ER 스트레스35,36, 미토콘드리아 스트레스(37), 및 열 스트레스(38)에 대한 저항성이 증가된 동물은 증가된 수명을 나타낸다. ER 스트레스는 C. elegans를 tunicamycin에 노출시킴으로써 적용되며, 이는 N-연결된 글리코실화를 차단하고 미스폴딩된 단백질(39)의 축적을 야기한다. 미토콘드리아 / 산화 스트레스는 파라콰트에 노출되어 미토콘드리아에서 특히 수퍼 옥사이드 형성을 유도합니다40. 열 스트레스는 34-37°C에서 33,41의 동물 인큐베이션을 통해 가해진다. 여기에 설명 된 모든 분석은 최소한의 장비와 자금으로 수행 할 수 있으며 다양한 그룹에서 노화를 연구하기위한 다양한 도구를 제공합니다.
수명은 가장 간단하게 삶의 기간으로 정의되며, 대부분의 유기체에서 명확한 이진 현상입니다 – 유기체가 살아 있거나 그렇지 않습니다. 그러나 장수가 항상 유기체의 건강과 관련이있는 것은 아닙니다. 예를 들어, 미토콘드리아 스트레스에 노출되면 수명이 극적으로 증가하는 미토콘드리아 hormesis 모델은 일반적으로 가장 오래 살았던 동물 중 일부이지만 성장 둔화 및 대사 기능 저하를 나타냅니다37,54. 마찬가지로, 과민성 소포체 스트레스 반응을 보이는 동물은 또한 단백질 항상성 및 수명이 극적으로 개선되었음에도 불구하고 건강 감소와 상관관계가 있을 수 있는 특정 행동 및 표현형을 나타낸다(36,49). 마지막으로, HSF-1 기능 증가(55), XBP-1 기능 증가(56), 변경된 FoxO 신호전달(57)을 포함하는 모델 유기체의 많은 장수 패러다임은 모두 암 위험 증가와 상관관계가 있으며, 유기체가 암 및 기타 건강 질환과 지속적으로 투쟁하는 경우 연장된 수명이 유익하지 않다는 것은 논쟁의 여지가 없다. 따라서 수명은 노화 생물학에서 독립형 측정이 될 수 없습니다.
따라서 건강 기간의 개념은 노화 생물학에서 성장하는 분야였습니다. 건강하다는 삶의 기간으로 느슨하게 정의 된 건강 수명은 장수보다 확인하기가 더 어렵습니다. 그러나 장수와는 달리 “건강”의 개념은 유기체 건강에 대한 많은 다른 판독 값이 있기 때문에 복잡합니다 : 유기체 수준에는 근육 기능 / 강도, 신경 / 인지 기능, 생식 건강 등이 있습니다. 세포 수준에는 단백질 항상성, 지질 항상성, 포도당 항상성, 신진 대사 등이 있습니다. 2014년, 노화 생물학자들은 노화의 생물학적 특징을 노화 중에 자연적으로 분해되는 것이어야 하고 실험적 악화가 노화를 가속화하고 실험적 개입이 노화를 늦추어야 한다는 구조화된 정의와 함께 결정적으로 특징지었다. 노화의 이러한 아홉 가지 특징은 게놈 불안정, 텔로미어 감소, 후성유전학적 변화, 단백질 항상성 상실(프로테오스타시스), 줄기 세포 고갈, 세포간 신호전달 변화, 미토콘드리아 기능장애, 탈조절된 영양소 감지, 및 세포 노화58을 포함한다. 그 이후로, 수많은 연구들은 세포외 단백질과 면역과 염증과 같은 전신 생리학을 포함한 다른 요인들이 포함되어야 한다고 주장한다59. 궁극적으로, 건강 범위에 대한 복잡한 정의는 유기체 건강이 여러 가지 다른 방법을 사용하여 측정되도록 요구합니다.
따라서이 원고에서는 선충류 모델 인 C. elegans를 사용하여 건강 기간의 다양한 측면을 측정하기 위해 여러 가지 방법이 제시됩니다. 우리는 스래싱 분석을 사용하여 운동 행동, 계란 수와 새끼 크기를 사용한 생식 건강, 스트레스에 대한 민감도를 분석합니다. 실제로, 운동 행동은 유기체가51 세 동안 운동성과 운동의 상당한 손실을 나타내기 때문에 건강 범위를 측정하기위한 황금 표준 방법입니다. 운동 행동의 손실은 C. elegans의 근육 기능이 적절한 프로테오스타시스60, 미토콘드리아 기능 장애 61 및 뉴런 근육 신호 전달 (62)에 의존하기 때문에 노화의 여러 특징에 기인 할 수 있습니다. 이 원고는 운동 행동의 한 측정에 초점을 맞추지 만, 단단한 한천 판에서 동물의 운동성, 터치51에 대한 반응 및 화학 축성 분석(63)을 포함한 많은 다른 방법이 존재한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 그러나 이러한 방법에는 일반적으로 더 정교한 기록 장치, 웜 추적 소프트웨어 사용 또는 고가, 위험 또는 휘발성 화학 물질의 사용이 필요하며 이들 모두는 일부 연구 설정에서 금지 될 수 있습니다.
또한, 난자 수 및 새끼 크기에 대한 분석은 생식 건강을 측정하는 방법과 성체 웜의 세포 분열을 측정하는 가장 간단한 방법으로 제시되는데, 성충은 유사분열 후 생식 세포와 배아 만 성체 웜(64) 내에서 세포 분열을 겪기 때문입니다. 세포 분열의 척도로서, 생식 건강은 세포 노화 및 줄기 세포 고갈의 노화 특징과 관련 될 수 있습니다. 생식 건강은 병원성 감염(65) 또는 스트레스(49)에 대한 노출을 포함하는 많은 요인들에 의해 영향을 받을 수 있지만, 생식 건강과 장수 사이에는 직접적인 상관관계가 없다. 사실, 일부 장수 동물은 새끼 크기49에서 상당한 감소를 나타내며, 장수와 새끼 크기50 사이에 반비례 상관 관계가 존재할 수도 있습니다. 이것은 C. elegans에 특유한 현상이 아니며, 장수에 대한 번식의 해로운 영향은 인간66, 동반자 개 67 및 마우스68에서 오랫동안 관찰되어 왔기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 우리는 생식 건강이 장수 또는 건강과 관련이 없을 수 있다는 경고와 함께 생식 건강을 측정하기위한 신뢰할 수 있고 저렴한 방법으로 계란 수와 새끼 크기를 제공합니다.
마지막으로, 생존 분석은 유기체 건강의 간접적 인 척도로 제공됩니다. 중요하게도, 열 스트레스(69) 및 ER 스트레스(35)에 대한 반응을 포함하는 세포 스트레스 반응은 노화 과정 동안 급격히 감소하고 프로테오스타시스(proteostasis)70,71의 노화 특징과 직접적인 관련성을 갖는다. 대조적으로, 스트레스 반응을 과도하게 활성화시키는 것은 스트레스35,37,38에 대한 탄력성을 촉진함으로써 수명을 상당히 증가시킬 수 있다. 본 연구가 가장 단순하고 가장 낮은 비용의 방법에 초점을 맞추는 동안, 응력 복원력 분석을 위한 다수의 대안적인 방법들이 열관용(41) 및 산화 응력(66)에 대해 존재하며, 각각은 상이한 장비 및 소모품 세트를 필요로 한다. 스트레스 요인에 대한 간단한 노출 연구 외에도 장비에 대한 접근에 따라 다른 생리적 방법을 수행 할 수 있습니다. 예를 들어, 세포외 플럭스 분석기는 미토콘드리아 기능 및 세포 호흡(73)을 모니터링할 수 있다; 형광 해부 현미경은 스트레스 반응 활성화를 위한 전사 리포터의 측정을 허용할 것이다(20); 고분해능 화합물 또는 공초점 현미경을 사용하여 미토콘드리아(74), 소포체(75,76), 및 액틴 세포골격(77)에 대한 형광 프로브를 사용하여 소기관 형태를 측정할 수있다.
장수 측정을위한 마지막 경고의 이야기로서, 웜을 살균하기위한 화학적 및 유전 적 방법이 비용을 크게 줄이기 위해 제공되지만, 둘 다 수명에 직접적인 영향을 줄 수 있다는 점에 유의해야합니다. 예를 들어, FUDR에 대한 노출은 수명과 내열성(45) 모두에 영향을 미치는 것으로 이전에 보고되었다. glp-4(bn2) 돌연변이체 자체는 수명에 직접적인 영향을 미치지 않지만, 25°C에서의 성장은 온화한 열 응력(33,34)이므로 수명2에 영향을 미칠 수 있다. C. elegans를 살균하기 위한 다른 방법들이 존재하는데, 여기에는 옥신-매개된 멸균성(78) 또는 대안적인 온도-민감성 정자-결핍 돌연변이체(79)가 포함된다. 그러나 모든 방법에는 몇 가지주의 사항이 있으며 각 실험실의 과학적 요구에 가장 해로운 분석을 활용하기 위해주의를 기울여야합니다. 수명 연구의 마지막 한계 중 하나는 낮은 표본 크기 또는 단순히 조사자의 객관적인 오류로 인해 발생할 수있는 잠재적 인 변동성입니다. 이것은 자동화 된 수명 기술(80)에서 새로운 기술이 탄생함에 따라 회피될 수 있지만, 다시 이러한 시스템은 비용이 많이 들고 일부 엔지니어링 및 전산 장비 및 기술을 필요로 한다. 궁극적으로, 여기에 제공된 방법의 수집은 거의 모든 기관에서 신속하게 적응하고 배울 수 있으며 노화 생물학을위한 견고한 토대를 제공 할 수있는 신뢰할 수있는 도구 세트입니다.
The authors have nothing to disclose.
G.G.는 T32AG052374에 의해 지원되며 R.H.S.는 국립 노화 연구소의 R00AG065200에 의해 지원됩니다. 균주에 대한 CGC (NIH Office of Research Infrastructure Program P40 OD010440)에 감사드립니다.
APEX IPTG | Genesee | 18-242 | for RNAi |
Bacto Agar | VWR | 90000-764 | for NGM plates |
Bacto Peptone | VWR | 97064-330 | for NGM plates |
Calcium chloride dihydrate | VWR | 97061-904 | for NGM plates |
Carbenicillin | VWR | 76345-522 | for RNAi |
Cholesterol | VWR | 80057-932 | for NGM plates |
DMSO | VWR | BDH1115-1LP | solvent for drugs |
LB Broth | VWR | 95020-778 | for LB |
Magnesium sulfate heptahydrate | VWR | 97062-132 | for NGM plates, M9 |
Paraquat | Sigma-Aldrich | 36541 | for oxidative/mitochondrial stress |
Potassium Chloride | VWR | 97061-566 | for bleach soluton |
Potassium phosphate dibasic | VWR | EM-PX1570-2 | for NGM plates |
Potassium phosphate monobasic | VWR | EM-PX1565-5 | for M9 |
S7E Dissecting Scope | Leica | 10450840 | Standard dissecting microscope |
Sodium Chloride | VWR | EM-SX0420-5 | for NGM plates, M9 |
Sodium hypochlorite | VWR | RC7495.7-32 | for bleach solution |
Sodium phosphate dibasic | VWR | 71003-472 | for M9 |
Tetracycline hydrochloride | VWR | 97061-638 | for RNAi |
Tunicamycin | Sigma-Aldrich | T7765-50MG | for ER stress |