Caenorhabditis elegans, sağlık süresini, ömrünü ve strese karşı dayanıklılığı araştırmak için sağlam ve düşük maliyetli yöntemlerle mükemmel bir model sistem olarak hizmet eder.
Caenorhabditis elegans’ın model bir organizma olarak keşfi ve gelişimi, biyolojide, özellikle yaşlanma alanında etkili olmuştur. Birçok tarihsel ve çağdaş çalışma, genetik mutasyonlar, transgenik gen ekspresyonu ve strese faydalı, düşük dereceli bir maruz kalma olan hormesis de dahil olmak üzere binlerce yaşam süresini değiştiren paradigmayı tanımlamıştır. Kısa bir ömür, kolay ve düşük maliyetli bakım ve tüm insan genlerinin neredeyse üçte ikisine homoloji ile tamamen sıralanmış genom dahil olmak üzere birçok avantajı ile C. elegans, stres ve yaşlanma biyolojisi için olağanüstü bir model olarak hızla benimsenmiştir. Burada, kullanım ömrünü ve sağlık süresini ölçmek için, özellikle sınırlı ekipman ve fonlara sahip olanlar olmak üzere hemen hemen her araştırma ortamına kolayca uyarlanabilen çeşitli standartlaştırılmış yöntemler araştırılmaktadır. C. elegans’ın inanılmaz faydası, kapsamlı bir altyapıya ihtiyaç duymadan yaşlanma biyolojisinde güçlü genetik analizler yapma kapasitesini vurgulayarak öne çıkıyor. Son olarak, her analizin sınırlamaları ve alternatif yaklaşımlar dikkate alınmak üzere tartışılmaktadır.
Sydney Brenner’in 1974’teki en etkili makalelerinden biri olan ‘Caenorhabditis elegans’ın genetiği’nin yayınlanmasından bu yana, bu mikroskobik solucan biyolojik gizemleri incelemek için olağanüstü bir model sistem olarak kabul edilmiştir1. 1977’de Michael R. Klass, C. elegans’ın ömrünü ölçme yöntemini yayınladı ve yaşlanmayı incelemek için bu model sistemi kurdu2. Stres ve uzun ömürlülük arasındaki ilişkiyi anlamak için yapılan araştırma, yaş-1 genindeki tek bir mutasyonun tanımlanmasıyla başlamış ve bu da C. elegans3’te yaşam süresinin uzamasına neden olmuştur. Ayrıca, çağdaş çalışmalar, strese karşı artan direnç gösteren uzun ömürlü mutant solucanları ortaya çıkaran diğer yaşam süresini artıran mutasyonları tanımlamıştır 4,5,6. Kısa ömrü, kolay bakımı, insan hastalığına neden olan tüm genlerin yaklaşık üçte ikisine homoloji içeren tamamen sıralanmış genomu, RNA girişim (RNAi) kütüphanelerinin kullanılabilirliği ve kullanım kolaylığı ve insanlarla fizyolojik benzerliği 7,8,9 gibi birçok avantajı ile C. elegans, stres ve yaşlanma biyolojisi için olağanüstü bir model olarak hızla benimsenmiştir.
Belki de C. elegans’ın en büyük faydaları, son derece düşük bakım maliyeti, deney kolaylığı ve çalışmalar için mevcut genetik araçların çeşitliliğidir. C. elegans tipik olarak bir E. coli besin kaynağı ile katı bir agar ortamında yetiştirilir. Yaygın olarak kullanılan iki E. coli suşu standart OP50, belki de en yaygın kullanılan 10 olan bir B suşu ve öncelikle RNAi deneyleri için kullanılan bir K-12 suşu olan HT115’tir11,12. HT115 K-12 suşu, bireysel C. elegans genlerine karşılık gelen dsRNA’yı eksprese eden plazmidlerin kullanıldığı RNAi yöntemleri için gerekli olan bir mutasyon olan RNAIII RNaz’da bir delesyon taşır. dsRNA besleme vektörleri, karmaşık haçlara veya genom düzenlemesine gerek kalmadan C. elegans genlerinin sağlam bir şekilde parçalanmasına izin verir, çünkü bu plazmidleri taşıyan bakteriler doğrudan nematodlara beslenebilir. Bu bakteriyel RNAi vektörlerinin binlercesi, 19.000 > bireysel RNAi yapısı13 ve 16.757 RNAi yapısı14 olan Ahringer RNAi kütüphanesi de dahil olmak üzere HT115 arka planında bulunur. Bununla birlikte, OP50 ve HT115 bakteri diyetleri, B12 Vitamini 15,16’daki farklılıklar da dahil olmak üzere metabolik profilde büyük farklılıklara sahiptir. Bu nedenle, daha önce tarif edildiği gibi birden fazla kafa karıştırıcı faktör ortaya çıkarabilecek gen-diyet etkileşimlerinden kaçınmak için mümkünse tüm deneylerin tek bir bakteri kaynağı üzerinde yapılması önerilir17,18,19. Kolaylığı nedeniyle, hayvanlar burada açıklanan tüm deneysel koşullar için OP50’de tutulur, ancak tüm deneyler daha önce açıklandığı gibi HT115 üzerinde gerçekleştirilir20. Kısaca, hayvanlar OP50’de tutulur ve RNAi ile RNAi olmayan deneyler arasında tutarlılık için senkronizasyon sonrası HT115’e (ağartmadan sonra) aktarılır. Alternatif olarak, E. coli K12 HT115 suşunda bulunan RNAIII RNaz’ın benzer bir delesyonunu taşıyan RNAi yetkin bir OP50 suşu da kullanılabilir21.
Belki de C. elegans’taki RNAi deneylerinin en büyük sınırlamalarından biri, nakavt verimliliği endişesidir. Nakavt verimliliği qPCR veya batı lekelemesi ile doğrulanabilirken, bunlar pahalı ekipman ve reaktifler gerektirir ve toplu analizle sınırlıdır. Bu, RNAi’ye dirençli (daha az hassas) olan nöronlar gibi spesifik hücrelere bakmak için daha da endişe vericidir. Spesifik hücrelerdeki RNAi etkinliği, dsRNA alımı22 için gerekli olan transmembran proteini olan SID-1’in aşırı ekspresyonu ile arttırılabilirken, bu hala bu yapılar için kullanılan promotörlerin hücre tipine özgü ekspresyon kalıpları ile sınırlıdır ve bu nedenle gen nakavtları ve mutasyonları, gen fonksiyonlarını tüketmenin en kusursuz yoludur. RNAi aracılı nakavtın ötesinde, C. elegans ayrıca CRISPR tabanlı stratejilerle genom düzenlemeye23,24,25 ve mikroenjeksiyonlar yoluyla transgenik yapı aşırı ekspresyonuna oldukça uygundur ve transgenik yapıları ışınlama veya transpozon tabanlı entegrasyon yoluyla entegre etme seçeneği26,27,28,29 . Bununla birlikte, bu yöntemler pahalı mikroenjeksiyon ekipmanı gerektirir ve kılavuz RNA’ların veya Cas9 enziminin yüksek maliyeti, sınırlı finansmana sahip kurumlarda bu yöntemleri yasaklayabilir. Bunun yerine, binlerce transgenik çizgi ve mutant, hem Caenorhabditis Genetik Merkezi’nde (CGC) hem de Ulusal Biyokaynak Projesi’nde (NBRP) birkaç dolara kolayca bulunabilir. NBRP, yayınlanmış ve bu nedenle doğrulanmış mutant suşları, pilot projelerden türetilen mutantlar ve henüz karakterize edilmemiş mutantlar dahil olmak üzere çok sayıda C. elegans geni için izole mutantlar sunmaktadır. Buna karşılık, CGC, araştırma topluluğundan çoğunlukla yayınlanmış ve kurulmuş C. elegans hatlarının bir deposudur. Her ikisi de dünya çapında çok makul fiyatlarla suşlar gönderiyor ve şirket içinde suşları sentezlemek için sınırlı kapasiteye sahip olanlar için çok çeşitli seçenekler sunuyor.
Burada, C. elegans’ta yaşam süresini ve sağlık süresini analiz etmek için en düşük maliyetli yöntemler olması muhtemel olan küratörlü bir yöntem koleksiyonu sunulmaktadır. Burada sunulan tüm yöntemler düşük maliyetli ekipman ve sarf malzemeleri gerektirir ve yalnızca CGC’den kolayca temin edilebilen suşları kullanır. C. elegans’ta uzun ömürlülük ve hayatta kalma testleri için belki de en yasaklayıcı olanı, Nematod Growth Media (NGM) plakalarının maliyetidir. C. elegans hermafrodit olduğundan ve kendi kendine döllendiğinden, standart hayatta kalma testleri, yavrulardan kontaminasyonu önlemek için yetişkin hayvanların sürekli olarak soylarından uzaklaştırılmasını gerektirir. Bu işlem sadece zaman alıcı olmakla kalmaz, aynı zamanda tek bir ömür boyu tahlil yapmak için koşul başına yaklaşık 100 plaka gerekliliği nedeniyle pahalı hale gelebilir. Burada iki alternatif sunulmaktadır: sıcaklığa duyarlı germ çizgisi içermeyen mutant, glp-4 (bn2) kullanımı veya 5-floro-2′-deoksiüridin (FUDR) kullanılarak kimyasal sterilizasyon. glp-4, bir valil aminoasil tRNA sentetazı kodlar ve sıcaklığa duyarlı glp-4 (bn2), azalmış protein translasyonu30,31 nedeniyle kısıtlayıcı sıcaklıklarda üreme açısından yetersizdir. FUDR, DNA replikasyonunu önleyerek C. elegans’ı kimyasal olarak sterilize etmek için sağlam bir yöntemdir, böylece üremeyi inhibe eder32. FUDR, bazı laboratuvarlar için engelleyici derecede pahalı olabilse de, solucanları kimyasal olarak sterilize etmek için sadece küçük bir miktar gereklidir ve toz formundaki stabilitesi çoğu grup için uygun hale getirebilir. Sıcaklığa duyarlı glp-4 (bn2) mutantını kullanmak kesinlikle en ucuz seçenektir, çünkü tek gereksinim hayvanları kısıtlayıcı 25 ° C’ye kaydırmak için bir inkübatördür; Bununla birlikte, 25 °C’de büyümenin hafif ısı stresine neden olabileceği unutulmamalıdır33,34. Yöntemden bağımsız olarak, steril hayvanların kullanılması, yaşa bağlı tahliller için gerekli sarf malzemelerinin maliyetlerini önemli ölçüde azaltabilir.
Yaşlanmayı incelemek için, standart ömür testleri gelenekseldir, çünkü uzun ömürlülüğü değiştiren paradigmaların yaşlanma üzerinde doğrudan etkileri vardır. Bununla birlikte, sağlık süresi ve stres toleransı ölçümleri, organizmanın sağlığı hakkında ek bilgiler sunmaktadır. Burada, sağlığı ölçmek için çeşitli yöntemler sunulmaktadır: 1) üreme sağlığının bir ölçüsü olarak doğurganlık; 2) Gelişimsel sağlığın ve serilen yavruların yaşayabilirliğinin bir ölçüsü olarak yavru büyüklüğü; ve 3) kas fonksiyonu ve hareketliliğinin bir ölçüsü olarak lokomotor davranış, her ikisi de yaşlanma ile doğrudan ilişkilidir. Ek olarak, stres toleransı testleri sunulmaktadır: ER stresine hayatta kalma, mitokondriyal / oksidatif stres ve termal stres sağkalımı. Gerçekten de, ER stresine karşı direnci artmış olan hayvanlar 35,36, mitokondriyal stres37 ve termal stres38 daha uzun ömür sergiler. ER stresi, C. elegans’ın N’ye bağlı glikozilasyonu bloke eden ve yanlış katlanmış proteinlerin birikmesine neden olan tunikamisin’e maruz bırakılmasıyla uygulanır39. Mitokondriyal / oksidatif stres, özellikle mitokondri40’ta süperoksit oluşumunu indükleyen paraquat’a maruz kalarak indüklenir. Isı stresi, hayvanların 34-37°C 33,41’de kuluçkalanması yoluyla uygulanır. Burada açıklanan tüm tahliller minimum ekipman ve fonla gerçekleştirilebilir ve çeşitli gruplarda yaşlanmayı incelemek için çeşitli araçlar sunar.
En basit şekilde yaşam süresi olarak tanımlanan yaşam süresi, çoğu organizmada açık bir ikili fenomendir – bir organizma yaşıyor ya da yaşamıyor. Bununla birlikte, uzun ömürlülük her zaman bir organizmanın sağlığı ile ilişkili değildir. Örneğin, mitokondriyal strese maruz kalmanın ömrünü önemli ölçüde artırdığı mitokondriyal hormez modelleri genellikle en uzun ömürlü hayvanlardan bazılarıdır, ancak bodur büyüme ve azalmış metabolik fonksiyon sergiler37,54. Benzer şekilde, hiperaktif endoplazmik retikulum stres yanıtı olan hayvanlar, protein homeostazını ve ömrünü önemli ölçüde iyileştirmiş olmalarına rağmen, azalmış sağlıkla ilişkili olabilecek belirli davranışlar ve fenotipler sergilerler 36,49. Son olarak, model organizmalarda artan HSF-1 fonksiyonu55, artmış XBP-1 fonksiyonu 56 ve değiştirilmiş FoxO sinyal57 dahil olmak üzere birçok uzun ömür paradigması, artan kanser riski ile ilişkilidir ve bir organizma kanser ve diğer sağlık hastalıkları ile sürekli bir mücadele içindeyse, uzun ömrün yararlı olmadığı tartışılmazdır. Bu nedenle, uzun ömürlülük yaşlanma biyolojisinde bağımsız bir ölçüm olamaz.
Bu nedenle, sağlık süresi kavramı yaşlanma biyolojisinde büyüyen bir alan olmuştur. Gevşek bir şekilde kişinin sağlıklı olduğu yaşam süresi olarak tanımlanan sağlık süresi, uzun ömürlülükten daha zordur. Bununla birlikte, uzun ömürlülüğün aksine, organizma sağlığına birçok farklı okuma olduğu için “sağlık” kavramı karmaşıktır: organizma düzeyinde, kas fonksiyonu / gücü, nöronal / bilişsel işlev, üreme sağlığı vb. Vardır; hücresel düzeyde protein homeostazı, lipid homeostazı, glikoz homeostazı, metabolizma vb. Vardır. 2014 yılında, yaşlanan biyologlar, yaşlanmanın biyolojik özelliklerini, yaşlanma sırasında doğal olarak parçalanan ve deneysel alevlenmenin yaşlanmayı hızlandırması ve deneysel müdahalenin yaşlanmayı yavaşlatması gerektiği şekilde deneysel olarak değiştirilebilecek bir şey olması gerektiği yapılandırılmış tanımıyla kesin olarak karakterize etmişlerdir. Yaşlanmanın bu dokuz ayırt edici özelliği arasında genomik instabilite, telomer yıpranması, epigenetik değişiklikler, protein homeostazı kaybı (proteostaz), kök hücre tükenmesi, değişmiş hücreler arası sinyalleşme, mitokondriyal disfonksiyon, deregüle besin algısı ve hücresel yaşlanma58 sayılabilir. O zamandan beri, çok sayıda çalışma, hücre dışı proteinler ve bağışıklık ve inflamasyon gibi sistemik fizyoloji de dahil olmak üzere diğer faktörlerin dahil edilmesi gerektiğini savunuyor59. Nihayetinde, healthspan’ın karmaşık tanımı, organizma sağlığının birden fazla farklı yöntem kullanılarak ölçülmesini zorunlu kılar.
Bu nedenle, bu makalede, nematod modeli C. elegans kullanılarak sağlığın çeşitli yönlerini ölçmek için birçok yöntem sunulmuştur. Lokomotor davranışlarını ezme tahlilleri, yumurta sayısı ve yavru büyüklüğünü kullanarak üreme sağlığını ve strese duyarlılığı test ediyoruz. Gerçekten de, lokomotor davranışı, organizmalar51 yaşlılık sırasında önemli hareketlilik ve hareket kaybı sergilediğinden, sağlık süresini ölçmek için altın standart bir yöntemdir. Lokomotor davranış kaybı, yaşlanmanın birçok ayırt edici özelliğine atfedilebilir, çünkü C. elegans’taki kas fonksiyonu uygun proteostaz60, mitokondriyal disfonksiyon61 ve nöron-kas sinyalizasyonu62’ye bağlıdır. Bu makale lokomotor davranışın bir ölçümüne odaklanırken, katı bir agar plakası üzerindeki hayvanların hareketliliği, dokunma51’e yanıt ve kemotaksis tahlilleri63 dahil olmak üzere birçok başka yöntemin var olduğunu belirtmek önemlidir. Bununla birlikte, bu yöntemler genellikle daha karmaşık kayıt cihazları, solucan izleme yazılımının kullanımı veya pahalı, tehlikeli veya uçucu kimyasalların kullanılmasını gerektirir ve bunların hepsi bazı araştırma ortamlarında engelleyici olabilir.
Ek olarak, yumurta sayısı ve yavru büyüklüğü için yapılan tahliller, üreme sağlığını ölçmenin bir yöntemi ve yetişkin solucanlarda hücre bölünmesini ölçmek için en basit yöntem olarak sunulmaktadır, çünkü yetişkin solucanlar post-mitotiktir ve sadece germ hücreleri ve embriyolar yetişkin bir solucan içinde hücre bölünmesine uğrar64. Hücre bölünmesinin bir ölçüsü olarak, üreme sağlığı, hücresel yaşlanma ve kök hücre tükenmesinin yaşlanma özellikleri ile ilgili olabilir. Üreme sağlığı, patojenik enfeksiyon65 veya strese maruz kalma49 dahil olmak üzere birçok faktörden etkilenebilir, ancak üreme sağlığı ile uzun ömürlülük arasında doğrudan bir ilişki yoktur. Aslında, bazı uzun ömürlü hayvanlar yavru büyüklüğü49’da önemli bir düşüş gösterir ve hatta uzun ömürlülük ile yavru büyüklüğü50 arasında ters bir korelasyon olması bile mümkündür. Bu, C. elegans’a özgü bir fenomen değildir, çünkü üremenin uzun ömürlülük üzerindeki zararlı etkileri uzun zamandır insanlarda66, refakatçi köpeklerde 67 ve farelerde68 gözlenmiştir. Yine de, üreme sağlığının uzun ömürlülük veya sağlık süresi ile ilişkili olmayabileceği uyarısıyla üreme sağlığını ölçmek için güvenilir ve düşük maliyetli bir yöntem olarak yumurta sayısı ve yavru büyüklüğü sağlıyoruz.
Son olarak, hayatta kalma testleri organizma sağlığının dolaylı bir ölçüsü olarak sunulmaktadır. Önemli olarak, termal stres69 ve ER stres35’e yanıt da dahil olmak üzere hücresel stres tepkileri, yaşlanma sürecinde hızla azalır ve proteostaz 70,71’in yaşlanma özelliği ile doğrudan ilgilidir. Buna karşılık, aşırı aktive edici stres tepkileri, strese karşı direnci teşvik ederek ömrü önemli ölçüde artırabilir35,37,38. Bu çalışma en basit ve en düşük maliyetli yöntemlere odaklanırken, termotolerans41 ve oksidatif stres66 için stres direnci testleri için her biri farklı bir ekipman ve sarf malzemesi seti gerektiren çok sayıda alternatif yöntem bulunmaktadır. Stresörlere basit maruz kalma çalışmalarının ötesinde, ekipmana erişime bağlı olarak diğer fizyolojik yöntemler de uygulanabilir. Örneğin, bir hücre dışı akı analizörü mitokondriyal fonksiyonu ve hücresel solunumu izleyebilir73; floresan diseksiyon mikroskopları, stres yanıtı aktivasyonu için transkripsiyonel raporlayıcıların ölçümlerine izin verecektir20; ve yüksek çözünürlüklü bileşik veya konfokal mikroskoplar, mitokondri 74, endoplazmik retikulum 75,76 ve aktin sitoiskelet 77 için floresan problarla organel morfolojisini ölçmek içinkullanılabilir.
Uzun ömürlülük ölçümleri için son bir uyarı hikayesi olarak, solucanları sterilize etmek için kimyasal ve genetik yöntemler maliyeti önemli ölçüde azaltmak için sunulurken, her ikisinin de ömrü doğrudan etkileyebileceğini belirtmek önemlidir. Örneğin, FUDR’ye maruz kalmanın daha önce hem ömrü hem de termotoleransı etkilediği bildirilmiştir45. Glp-4 (bn2) mutantının kendisinin yaşam süresi üzerinde doğrudan bir etkisi olmasa da, 25 ° C’deki büyüme hafif bir ısı stresi 33,34’tür ve bu nedenle ömrü etkileyebilir 2. C. elegans’ı sterilize etmek için, oksin aracılı sterilite78 veya alternatif sıcaklığa duyarlı sperm eksikliği olan mutantlar79 dahil olmak üzere başka yöntemler de vardır. Bununla birlikte, tüm yöntemlerin bazı uyarıları vardır ve her laboratuvarın bilimsel ihtiyaçları için en az zararlı tahlilin kullanılmasına özen gösterilmelidir. Uzun ömürlülük çalışmalarının son bir sınırlaması, düşük örneklem büyüklükleri nedeniyle veya sadece araştırmacı tarafından yapılan objektif bir hatayla ortaya çıkabilecek potansiyel değişkenliktir. Yeni teknolojiler otomatik ömür teknolojileri80’de doğduğu için bu durum atlatılabilir, ancak yine de bu sistemler maliyetlidir ve bazı mühendislik ve hesaplama ekipmanı ve becerileri gerektirir. Nihayetinde, burada sağlanan yöntemlerin toplanması, hemen hemen her kurumda hızlı bir şekilde uyarlanabilen ve öğrenilebilen ve yaşlanma biyolojisi için sağlam bir temel sağlayan güvenilir bir araç setidir.
The authors have nothing to disclose.
G.G. T32AG052374 tarafından desteklenmektedir ve R.H.S. Ulusal Yaşlanma Enstitüsü’nden R00AG065200 tarafından desteklenmektedir. CGC’ye (NIH Araştırma Altyapısı Programı P40 OD010440 tarafından finanse edilen) suşlar için teşekkür ederiz.
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 |