Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC). Delegació de Catalunya.

La doble vida d’un cuc discret

Caenorhabditis elegans, més conegut com a C. elegans, és un cuc diminut del sòl que des de fa més de quaranta anys també viu entre les parets del laboratori. En les darreres dècades, ha assolit el prestigi d’organismes de major tradició, com la mosca del vinagre o el ratolí. Se l’ha utilitzat per estudiar la genètica del desenvolupament i el sistema nerviós. Darrerament, també està fent aportacions en el coneixement de les causes de l’envelliment, de la mort cel·lular i de l’estructura del genoma.

La seqüència del seu genoma, la del primer organisme pluricel·lular, es va publicar l’any 1998, amb alguns buits; avui es considera completa. Amb prop de 20.000 gens, la distància que separa aquest cuc de l’ésser humà (amb uns 30.000) sembla escurçar-se.

Pot un cuc de vida curta tenir les claus de l’eterna joventut?

Els hàbits poc coneguts de C. elegans

C. elegans és un cuc de terra mil·limètric de vida lliure que té unes estructures i comportaments extremadament simples. En els darrers quaranta anys s’han omplert centenars de pàgines en revistes científiques amb descripcions detallades d’aquest nemàtode minúscul. El seu desenvolupament embrionari, la seva biologia cel·lular o l’organització del seu sistema nerviós són els temes que major interès han suscitat. No obstant això, fins fa no massa, a part dels estudis que van servir per identificar-lo com una espècie apta per al laboratori, se sabia molt poca cosa dels hàbits naturals d’aquesta espècie.

Què fou el que encisà la comunitat científica d'aquest cuc tan discret?

Un cuc mil·limètric

C. elegans és un cuc de poc més d’un mil·límetre de longitud que viu en el sòl. S’alimenta dels microorganismes i micronutrients, i també ha de suportar períodes on l’aliment és escàs. És un animal invertebrat que pertany a la classe dels nematodes, que són cucs de cos cilíndric i sense segmentar. Dins del mateix grup, hi ha espècies terrestres i aquàtiques de vida lliure. També hi ha nombrosos exemples de vida paràsita com els ascàrides que provoquen algunes infeccions als humans i als animals.

Anatomia d’extrema simplicitat

És un organisme pluricel·lular en forma de tub allargat que s’aprima en els extrems. Tot el cos està recobert per una fina cutícula exterior. Les cèl·lules estan organitzades formant òrgans i sistemes força simples. Té un sistema digestiu format per l’estoma (o boca), la faringe i l’intestí. També disposa d’òrgans sexuals (gònades) i un rudimentari sistema nerviós. No té ulls però té certa capacitat de percebre intensitats lluminoses. El seu cos és transparent i això permet visualitzar, amb tècniques de microscòpia, els diferents processos biològics.

Reproducció peculiar

Els adults poden presentar dues formes sexuals lleugerament diferents: l’hermafrodita, que té els òrgans sexuals propis dels dos sexes, i la masculina. Els primers, que són la majoria, tenen oviductes, ovaris i una cavitat per emmagatzemar l’esperma. Un petit percentatge d’individus esdevenen mascles, els quals disposen d’una cua copuladora. La reproducció entre mascles i hermafrodites afavoreix una major variabilitat genètica a la població. Per això, en presència de mascles, aquests són els protagonistes de la còpula; i en la seva absència, els hermafrodites s’autofecunden.

Hàbits del cuc

El cicle de vida de C. elegans és molt ràpid. Des que es produeix l’ou fins a arribar a la maduresa sexual passen entre tres i cinc dies. Després, l’adult sol viure entre dues i tres setmanes. Cada posta pot contenir entre 200 i 300 ous. La distribució d’aquesta espècie sol ser força àmplia a tot el planeta, de preferència per les zones de clima temperat. A priori és una espècie sense importància econòmica per a l’ésser humà; però el seu paper actual a l’àmbit de la recerca qüestiona aquesta afirmació.

Imatges

Anar a galeria multimèdia

Imatge de microscòpia electrònica del nemàtode Caenorhabditis elegans. Font: Juergen Berger / Max Planck Institute for Developmental Biology, Tübingen, Alemanya

La complexitat d’un organisme simple

La introducció de C. elegans al laboratori fou relativament tardana, si es compara amb la mosca del vinagre o el ratolí. Es produí a la dècada de 1960 al Laboratori de Biologia Molecular del Consell de Recerca Mèdica ,a Cambridge, Regne Unit. Sidney Brenner escollí aquest nemàtode com a nou organisme model per a la seva futura recerca. Aquest investigador, prèviament, havia investigat en el camp de la genètica de bacteris i fags (virus dels bacteris). Un cop establerts els principis fonamentals de la biologia molecular, durant la dècada anterior, Brenner dirigí l’atenció als processos biològics de major complexitat. En aquest context, C. elegans fou elegit per investigar el desenvolupament dels organismes pluricel·lulars i, en concret, del sistema nerviós.

Es pot dibuixar la ment d’un cuc?

De les molècules als sistemes

A la dècada de 1960, s’havien elucidat les fites més importants de la biologia molecular. S’havia determinat que l’ADN era el material genètic, l’estructura de doble hèlix d’aquest i desxifrat el codi genètic gràcies a organismes model molt simples com els bacteris i els virus. En aquell moment, doncs, molts investigadors van considerar que calia anar més enllà i investigar processos de major complexitat com el desenvolupament o els processos neuronals. En el nou context, els bacteris i els virus no resultaven útils, i tampoc els llevats. La mosca del vinagre i el ratolí, en canvi, que feia temps que es treballava amb ells al laboratori, potser eren massa complexes. Calia buscar altres éssers més adients, éssers pluricel·lulars amb una mínima complexitat.

L’elecció d’un organisme model
Tot i que en principi qualsevol ésser viu pot ser un organisme model, a la pràctica la creació d’un nou model de laboratori és una tasca força difícil. D’una banda, cal trobar l’ésser adient per estudiar un problema científic, després veure si aquest és apte per al laboratori (medis de cultiu) i desenvolupar les tècniques adients per al seu estudi. Finalment, la consolidació d’un nou organisme model també té a veure amb la creació d’una comunitat d’investigadors que comparteix els coneixements i treballa de manera cooperativa.

Mínima complexitat

L’elecció de Sidney Brenner de treballar amb C. elegans va ser molt meditada. El seu objectiu era arribar a entendre completament un organisme simple que, a la vegada, fos representatiu d’altres espècies. Calia buscar entre els organismes simples aquells que presentessin les estructures de mínima complexitat. Va ser així que aquesta espècie es va situar entre la llista de candidats, juntament amb 60 espècies de nematodes; entre els quals hi havia un parent seu anomenat Caenorhabditis briggsae. S’escollí C. elegans per la seva simplicitat i invariància en el desenvolupament, i per qüestions pràctiques al laboratori: es coneixien bé els seus requeriments i la seva sexualitat gràcies als estudis previs realitzats per Ellsworth C. Dougherty i Victor Nigon.

Apte per al laboratori
La gran habilitat de C. elegans per adaptar-se a les condicions de laboratori el van identificar finalment com el millor dels candidats per abordar el que es considerava la darrera frontera del coneixement: el sistema nerviós. Es podia cultivar fàcilment damunt de plaques de petri en agar ric en Escherichia coli, tenia una mida prou petita per cultivar fins a un centenar de cucs en una placa i es podia observar al microscopi electrònic. També, el seu sistema peculiar de reproducció era ideal per fer estudis genètics, fàcilment controlables, que podien aïllar els hermafrodites per fer creuaments purs o bé crear nou material genètic mitjançant el creuament amb els mascles.

Worm workers
A la dècada de 1970 i 1980, el cuc va començar a atraure més investigadors que passaven pel laboratori de Brenner. Alguns d’aquests després reprenien les investigacions, i creaven una línia de recerca pròpia en els seus països d’origen. Poc a poc, es va anar creant una petita comunitat del cuc que compartia interessos i serveis. Un exemple d’aquest esperit és la publicació periòdica Worm Breeder’s Gazette, que sortia dues vegades l’any. La comunitat del “projecte cuc”, des de llavors, es va distribuir i es va fer popular a tot el món científic.

La importància de tenir 959 cèl·lules

Una de les peculiaritats d’aquest cuc és que té un nombre definit i determinat de cèl·lules. L’any 1983, John Sulston, Robert Horvitz, i d’altres investigadors, van determinar que, en l’adult, C. elegans tenia un llinatge complet de 959 cèl·lules somàtiques, que es mantenia d’animal a animal. Aquest fet, feia possible conèixer el destí de cada una de les cèl·lules i, amb la tècnica d’ablació cel·lular amb làser, establir les pautes de desenvolupament de tot l’organisme complet. L’avantatge de tenir el nombre de cèl·lules fix, curiosament, és una característica atípica a la natura.

Perdre 131 cèl·lules pel camí
959 és el nombre de cèl·lules que conté el nematode adult. En els estadis inicials de desenvolupament, però, C. elegans en té un centenar més. Concretament, té 1090 cèl·lules de les quals 131 moren, de forma invariable, durant el desenvolupament. Aquest fet es descobrí l’any 1976: en el procés de mapejar el llinatge de les 1090 cèl·lules de C. elegans, els investigadors John Sulston i Robert Horvitz van veure durant el desenvolupament del cuc, que 131 cèl·lules morien de manera coordinada i programada. Això posà en evidència que el fenomen de la mort cel·lular programada és essencial i necessari per a la vida dels organismes. En el cuc s’han identificat 14 gens implicats en aquest procés anomenats ced (C.elegans death). D’entre ells, els ced-3 i ced-4 són necessaris per a la destrucció d’aquelles 131 cèl·lules.

Recerca pionera
En la seva curta vida com a organisme model C. elegans ha participat en l'obtenció de varis premis Nobel: Sydney Brenner com a pare dels "cucaires", i John Sulston i Robert Horvitz que van treballar sobre l’apoptosi, en van merèixer tres d’ells. A més a més, alguns treballs amb el cuc han estat pioners en el desenvolupament d'eines genètiques, les quals després s'han fet universals. La tècnica ARNi, ARN d’interferència, va ser descrita primer al cuc. Es tracta d’un mecanisme bàsic de regulació dels gens que com a tècnica per l’anàlisi funcional del genoma permet introduir seqüències ben definides d’ARN de cadena doble al cuc i silenciar virtualment qualsevol gen. D'altra banda, la tècnica basada en la proteïna Green Fluorescent Protein, en la que C. elegans també va ser pioner, a més a més del fet que és un animal completament transparent, va permetre el seu ús per al seguiment de processos biològics “in vivo”.

Dibuixar la ment del cuc

Una de les principals conquistes de la recerca amb C. elegans va ser ‘dibuixar la ment del cuc’. A través d’una successió de talls observats al microscopi, la idea era visualitzar tots els nervis i les connexions sinàptiques del cuc. John White i Nichol Thompson analitzaren 20.000 micrografies electròniques i traçaren aproximadament 8.000 connexions de les 302 neurones del cuc. Malgrat que de l’estructura no sempre se’n correspon la funció, aquesta recerca, que es coneix amb el nom de “wiring diagram”, va ser l’intent més aconseguit de comprendre els circuits sinàptics del sistema nerviós.

Imatges

Anar a galeria multimèdia

Retrat de Sydney Brenner, c.1960. Copyright: MRC Laboratory of Molecular Biology

Conèixer tots els secrets del cuc

Després de més de quaranta anys, el cuc de nom impronunciable (a l’àmbit científic se’l coneix com a C. elegans o simplement com a “el cuc”) té un lloc assegurat al laboratori. D’una banda, ha ampliat els horitzons de la biologia molecular: des del desenvolupament i el sistema nerviós a camps de rellevància biomèdica com és investigar les causes de l’envelliment, la mort programada de les cèl·lules o la resposta neuro-immune. D’altra banda, el fet que la seqüència del seu genoma fos de les primeres a publicar-se, l’any 1998, situà al discret nematode com un dels animals referència per entendre el genoma humà. Avui, aquesta tasca prossegueix amb els estudis de la genòmica funcional i l’endegada d’altres “òmiques”.

El cuc “salvatge” de laboratori (o wild type) s’assembla encara al cuc del sòl?

Allargar una curta vida

Aquest cuc té una vida que sol durar entre dues i tres setmanes. Però al laboratori, s’han creat mutants que viuen més del doble d’aquest temps. Estudiar les diferències a nivell genètic entre els cucs mutants i els “normals” pot donar algunes pistes sobre les causes de l’envelliment i els mecanismes que regulen aquest procés. Per a això, és necessari trobar mutants longeus, la qual cosa no és senzilla. Una manera de trobar els mutants desitjats de forma més àgil és sotmetre els cucs a unes condicions d’estrès tèrmic, el qual s’ha relacionat amb el fenotip de longevitat.

Cercant mutants longeus
Degut a la correlació que existeix entre longevitat i resistència a l’estrès, en condicions d’estrès tèrmic, s’espera que els cucs que resisteixin tinguin, a més a més, un fenotip longeu. A partir d’aquests mutants longeus, alguns investigadors han aconseguit caracteritzar els gens afectats. Entre d’altres, s’ha identificat el gen aap-1 en un mutant. Amb aquesta estratègia s’ha demostrat que una de les rutes essencials de regulació de la longevitat és la ruta de senyalització de la insulina o insulina like growth factor (IGF). Aquest fet indica que existeix una regulació de la longevitat a nivell hormonal.

Longevitat plàstica
En condicions favorables, el cuc assoleix ràpidament la maduresa sexual. Però en condicions adverses, els animals aturen el metabolisme i entren en un estadi de diapausa, o període d’interrupció del desenvolupament i l’activitat fisiològica, que permet resistir la situació d’estrès. L’anàlisi molecular d’aquest estadi ha revelat que els canvis ambientals estan lligats a una sèrie de vies endocrines molt conservades evolutivament (insulina/IGF, TGF i hormona esteroide), que influeixen en el creixement, el metabolisme, la supervivència i l’envelliment. Malgrat haver-hi un “programa genètic” que controla el desenvolupament i la longevitat del cuc, l’animal respon als estímuls de l’exterior de forma plàstica.

Programades per a morir

En el cuc es pot predir quan han de morir les cèl·lules del seu cos. El descobriment de la mort programada de les cèl·lules, o apoptosis, a la dècada de 1970 en el cuc, va obrir tot un nou camp de recerca que avui té repercussions en la recerca del tractament del càncer i de les malalties neurodegeneratives. En el cuc, els gens ced-3 i ced-4 activen la mort cel·lular i ced-9 la inhibeix. En els humans, gens homòlegs a aquests, com les caspases, intervenen en el procés de apoptosis. Encara que en aquests la situació esdevé més complexa perquè el nombre de cèl·lules és molt més elevat i variable.

Gens suïcides
Mutacions en els gens ced-3 i ced-4 impedeixen l’apoptosis, així que les cèl·lules que haurien de morir continuen saludables. Contràriament, quan el ced-9 no funciona correctament es produeix una major mort de les cèl·lules. En humans, el ced-3 és homòleg a la caspasa 1 i la funció del gen ced-9 recau sobre una família de gens anomenada Bcl-2. L’equilibri entre aquestes dues activitats determina el correcte funcionament de l’organisme. Mutacions en aquests i altres gens implicats, que disminueixen l’apoptosis, poden desembocar en la formació de tumors. A la vegada, morts cel·lulars desregulades poden estar a l’origen de malalties neurodegeneratives com l’Alzheimer.

Alzheimer i apoptosis
La malaltia d’Alzheimer es caracteritza per l’elevació crònica de beta-amiloide 42 en els fluids intersticials del cervell, i també dins de les neurones, a causa d’alguns defectes en els gens que codifiquen la proteïna precursora d’amiloide, la presenilina-1 i la presenilina-2. Això provoca que es produeixi una oligomerització d’aquests pèptids i es generi en dipòsit com a plaques difuses i, més endavant, com a plaques madures. Durant aquest procés es produeix apoptosis en les neurones (cosa que normalment no passa). Està regulat per diverses caspases (apoptòtiques), el factor 1 activador de les proteïnes apoptòtiques (Apaf) i per la família Bcl-2, (antiapoptòtiques). Molècules que bloquegin els gens suïcides es poden utilitzar per frenar la mort de les neurones en aquest tipus de malaltia.

Càncer: escapar a la mort programada
Les cèl·lules cancerígenes es caracteritzen perquè escapen al control de la mort cel·lular programada. Normalment es dóna en cèl·lules que presenten mutacions en els gens que controlen el creixement i la supervivència. S’ha vist que les proteïnes inhibidores de l’apoptosis se sobreexpressen en les cèl·lules cancerígenes. En humans, un dels principals gens reguladors d’aquest procés és el p53, actua activant l’apoptosis i, per això, se l’anomena gen supressor de tumors. Sense aquest gen, les cèl·lules viuen més temps, acumulen mutacions i es multipliquen sense control, generant tumors. A C. elegans s’ha trobat un homòleg a p53 anomenat cep-1 que actua en l’apoptosis a la línia germinal i pot servir per conèixer millor la funció de p53 en l’apoptosis.

Neurones contra infeccions

S’estudia la interacció del sistema immune i del sistema nerviós a nivell del cuc. Enfront d’infeccions de fongs patògens, el sistema nerviós del nemàtode regula una resposta immune a nivell epidèrmic: produeix un senyal de tipus citoquina que indueix l’expressió de pèptids antimicrobians. Aquest tipus de recerca complementa la que es fa a nivell de mamífers i, sobretot, pretén conèixer millor els mecanismes de regulació neuroendocrina de la immunitat. Pot tenir repercussions en la resposta a l’estrès, un exemple on intervenen tant el sistema immune com el sistema nerviós; ja que se sap que experiències prolongades d’estrès psicològic i emocional, impacten negativament en el sistema immunològic.

Genòmica funcional

La seqüència del genoma del cuc és una extensa i finita informació en la qual es poden identificar els gens però no se’n pot deduir la funció. Per això, avui en dia, es dediquen molt esforços en el camp de la genòmica funcional per esbrinar la funció dels diferents gens, dels elements reguladors i altres elements funcionals. L’objectiu és conèixer els dominis d’unió dels factors de transcripció; i saber quan, on, i a quin nivell s’expressen els gens a C. elegans és atractiu perquè aporta resolució al procés de desenvolupament a nivell de la cèl·lula. A la vegada, s’han iniciat altres projectes de gran abast que pretenen conèixer el conjunt complet de proteïnes, o proteoma, i el conjunt complet d’interaccions proteïna-proteïna, o interactoma.

Imatges

Anar a galeria multimèdia

Superposició de 21 imatges confocals, acolorides de forma diferent per reflectir profunditat. La imatge dreta mostra la larva observada mitjançant contrast diferencial interferent. Foto: Peter Askjaer. Cortesía de CIENCIATK (CSIC). Col·lecció FOTCIENCIA 07 FECYT-CSIC: http://www.cienciatk.csic.es

C. elegans té un genoma de mida petita. Aquesta fou, segurament, una de les raons per les quals va ser el primer animal a tenir el genoma seqüenciat. Es publicà l’any 1998, amb uns buits que s’han anat omplint fins a tenir, avui, la informació completa. Aquesta consta de 100 milions de parells de bases (100.291.840 bp) que contenen 19.735 gens que codifiquen per proteïnes. El Consorci per a la Seqüenciació del Genoma de C. elegans va establir una política oberta de la informació genètica del nematode i WormBase és el repositori que disposa de l’estat actual de la seqüència, amb eines d’anàlisi que ajuden a localitzar els gens previstos encara no trobats. Actualment, hi ha varis genomes de nematodes seqüenciats. Entre ells, C. briggsae, l’any 2003.

1940s

Estudis de nutrició i creixement en Caenorhabditis elegans i altres nemàtodes per part de E. C. Dougherty; altres investigadors realitzen estudis clàssics sobre el seu cicle sexual.

1960s

Sidney Brenner redirigeix la seva recerca cap a l’estudi del desenvolupament i del sistema nervió del nematode C. elegans.

1974

Sidney Brenner publica els estudis genètics sobre C. elegans.

1975

Es comença a publicar la Worm Breeder’s Gazzete. Actualment es torna a publicar.

1976

John Sulston i Robert Horvitz descobreixen els suïcidis cel·lulars quan mapen el llinatge cel·lular.

1983

Es publica el llinatge complet de cèl·lules de C. elegans.

1986

L’equip de John White publica ‘The mind of a worm’ amb el mapa de 302 neurones i 8.000 sinapsis (“wiring diagrama”).

Es caracteitza el primer mutant implicat en l’apoptosis ced-1.

1980s

S’inicia el mapa físic del genoma de C. elegans.

1998

Es publica la seqüència del genoma de C. elegans.

2003

Es publica la seqüència del genoma de C. briggsae.

2000s

Es realitzen estudis de genòmica funcional.