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Si l'hermaphrodite C. elegans peut se reproduire avec les femelles ?

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C. elegans peut s'autoféconder ou s'accoupler avec des mâles. Mais sont-ils capables de s'accoupler avec des femelles ? Ou y a-t-il une sorte de barrière morphologique qui empêche cela ?


Car seule la queue du mâle est dotée de diverses structures sensorielles et copulatoires spécialisées qui lui permettent de localiser la vulve et d'inséminer avec succès l'hermaphrodite. Les hermaphrodites peuvent s'autoféconder, mais seuls les mâles peuvent féconder un hermaphrodite.

sources : Wormbook : Développement masculin
C. elegans II (2e édition) : Dimorphisme sexuel


Et maintenant, quelque chose de complètement différent - un ver avec trois sexes

Diane Shakes est l'une des auteurs d'un article examinant la génétique étrange d'une espèce de nématode, une connaissance qui a d'importantes implications pour la santé humaine. Crédit : Joseph McClain

Diane secoue la tête. Un arrangement trisexuel n'est vraiment pas si différent. Trois sexes – mâle, femelle et hermaphrodite – font « partie du plan » pour de nombreux organismes. Il y a même un mot pour ça : trioecious.

Et Shakes souligne que l'hermaphrodisme a une place riche, variée et distinguée dans l'histoire naturelle.

"C'est assez courant chez les invertébrés", a-t-elle déclaré. « Ce qui n'est pas si courant, ce sont les hermaphrodites autofertiles. Pensez aux vers de terre : ce sont des hermaphrodites, mais il en faut quand même deux, à cause de la façon dont le sexe fonctionne, ils ne sont pas autofertiles. »

D'autres organismes présentent un hermaphrodisme séquentiel, a-t-elle déclaré. Les huîtres et autres coquillages passent du mâle à la femelle à mesure qu'ils vieillissent. "Et dans certains organismes, lorsque le" chef de meute " meurt, un autre change de sexe pour devenir le nouveau chef", a-t-elle expliqué.

Shakes est professeur au département de biologie de William & Mary. Elle et ses collaborateurs ont examiné Auanema rhodensis, une espèce de nématode qui apporte une vision complètement différente de l'hermaphrodisme. Elle est co-auteur d'un article dans Current Biology qui examine la génétique derrière la curieuse stratégie de reproduction trisexuelle du ver.

"Nous parlons de trois sexes, ici", a-t-elle expliqué. "Il y a des mâles et des femelles, et aussi des hermaphrodites. Leurs corps ressemblent à ceux d'une femelle, mais ils produisent à la fois des ovules et du sperme."

Comme la plupart des animaux, la reproduction humaine repose sur les chromosomes sexuels étiquetés X et Y. Les femelles humaines sont XX et les mâles sont XY. Les mâles produisent un mélange 50:50 de spermatozoïdes X et Y, et le sperme gagnant détermine finalement le sexe des enfants.

Shakes a expliqué que, conformément à la génétique mendélienne, les familles individuelles peuvent ne pas avoir un ratio de 50:50 de garçons et de filles, mais la population humaine globale reste à ce niveau. Chez A. rhodensis, les femelles et les hermaphrodites sont XX, tandis que les mâles ont un seul X et pas de Y. Cette espèce gère non seulement trois sexes, mais ses modes d'héritage confondent les prédictions de la génétique mendélienne.

"Ce que nous avons découvert, c'est qu'A. rhodensis a développé des moyens de s'écarter du livre de règles de la génétique, en particulier en ce qui concerne la façon dont il gère son chromosome X", a-t-elle déclaré.

Shakes est l'un des auteurs de "Sex- and Gamete-Specific Patterns of X Chromosome Segregation in a Trioecious Nematode", publié dans la revue Biologie actuelle.

Dans des études précédentes, Shakes et ses collègues ont découvert que les cellules productrices de spermatozoïdes chez les mâles A. rhodensis ont détourné un programme cellulaire normalement utilisé pour rationaliser les spermatozoïdes afin de produire exclusivement des spermatozoïdes porteurs de X. Ainsi, lorsque les mâles se croisent avec les femelles, ils ne produisent que des descendants femelles.

"Si cela n'était pas assez fou, dans cette nouvelle étude, nous avons découvert que les hermaphrodites manipulent également les dés génétiques", a-t-elle déclaré.

Shakes a expliqué que les règles génétiques standard prédisent que XX hermaphrodites devraient produire 1X ovules et 1X spermatozoïdes. Ils ont découvert que les hermaphrodites d'A. rhodensis enfreignent ces règles en produisant des spermatozoïdes avec deux chromosomes X et des ovules sans aucun.

"Nous sommes toujours en train de déterminer comment ils font exactement cela, mais cette configuration donne une génétique assez intéressante", a-t-elle déclaré.

Shakes a expliqué qu'A. rhodensis est pleinement et véritablement une espèce trisexuelle. Les hermaphrodites peuvent être autofertiles, mais ils sont aussi sexuellement polyvalents, heureux de se reproduire avec des mâles et des femelles de l'espèce.

"Lorsque les hermaphrodites produisent une progéniture par autofécondation, ils produisent principalement des femelles XX et des hermaphrodites XX", a-t-elle déclaré. "Cependant, lorsque l'hermaphrodite se croise avec des mâles, la fusion de spermatozoïdes mâles 1X avec des œufs no-X donne un jackpot de progéniture mâle!"

L'A. rhodensis trisexuel est un animal intéressant en soi, mais l'exploration par les scientifiques des bizarreries dans la ségrégation des chromosomes des nématodes a d'importantes implications pour la santé humaine.

La "ségrégation chromosomique" fait référence au tango des brins d'ADN à la fois dans la méiose (qui produit des ovules et des spermatozoïdes) ainsi que dans la mitose (qui produit de nouvelles cellules corporelles). Lorsque la danse de la ségrégation chromosomique dérape, de mauvaises choses peuvent arriver.

"Les anomalies de la ségrégation des chromosomes, dans la plupart des cas, provoquent l'avortement spontané d'un embryon au cours des deux premières semaines", a expliqué Shakes. "Ceux dont nous entendons parler sont ceux qui survivent à terme. Le plus célèbre, bien sûr, est le syndrome de Down, où il y a une copie supplémentaire d'un minuscule chromosome."

En plus des faux pas dans le développement de l'embryon, Shakes souligne que les erreurs de ségrégation chromosomique font monter la tête dans le développement de nombreux cancers.

"Si vous regardez une cellule cancéreuse, il y aura un nombre étrange de chromosomes. Vous aurez des chromosomes cassés et rattachés, ce genre de choses", a-t-elle déclaré. "Lorsque vous passez d'une tumeur bénigne à un cancer malin, il est très courant de trouver des défauts dans la ségrégation des chromosomes."

Les nématodes offrent un excellent proxy pour l'étude de la génétique humaine. Les humains et le nématode modèle C. elegans ont à peu près le même nombre de gènes, et bon nombre de ces gènes sont fonctionnellement identiques.

Cependant, Shakes a noté que le génome de C. elegans est beaucoup plus compact, avec moins d'ADN par cellule. Les nématodes n'ont que six ou sept chromosomes, alors que les humains en ont 23. La relative compacité du génome des nématodes a fait de C. elegans le premier organisme multicellulaire à avoir son génome séquencé.

"C'est devenu le modèle de travail du projet du génome humain", a-t-elle déclaré. "C. elegans a environ 20 000 gènes. Apprendre cela a été une sorte d'expérience humiliante parce qu'il a à peu près le même nombre de gènes qu'un humain."

Mais il y a une différence entre les deux espèces de nématodes. C. elegans a deux et non trois sexes : les mâles et les hermaphrodites. Pour A. rhodensis, avoir trois sexes lui donne des tactiques de reproduction supplémentaires. Chez A. rhodensis, le fait d'être un hermaphrodite capable de produire à la fois des œufs et du sperme est associé au passage par un stade larvaire spécialisé et au développement robuste.

"Ces hermaphrodites sont les explorateurs", a déclaré Shakes. "Ils vont chercher un nouveau patch alimentaire et quand ils y arrivent, ils peuvent se reproduire tout seuls. Au cours de leur stade larvaire robuste, ils ont des caractéristiques qui les aident à résister aux facteurs de stress environnementaux, et ils présentent des comportements qui maximisent leur dispersion."

Les avantages adaptatifs d'être un hermaphrodite autofertile sont évidents. Il n'y a rien de ce non-sens fastidieux de sélection de partenaire et de parade nuptiale. Si vous êtes un hermaphrodite A. rhodensis tout seul sur une île déserte, vous ne le serez pas pour longtemps. Et l'ADN de la progéniture est tout pur vous, bien sûr.

Mais il y a un prix à payer pour ces avantages. Les hermaphrodites autofertiles ne dotent pas leur progéniture de la diversité génétique issue de la reproduction mâle-femelle et qui profite à la descendance à long terme.

Un autre inconvénient de leur vie sexuelle en libre-service est que pour les hermaphrodites, le passage par ce stade larvaire accidenté retarde le début de la maturité sexuelle. Alors que les mâles et les femelles passent de l'embryon à la maturité sexuelle en trois à quatre jours, le programme larvaire d'un hermaphrodite ajoute une journée entière à la maturation du nématode, a expliqué Shakes.

"Un jour, dans le cadre de trois ou quatre jours, c'est significatif", a-t-elle déclaré. "Donc, si vous faites des hommes et des femmes, ils vont produire des petits-enfants pour vous plus rapidement."

Shakes dit que son hypothèse sur la stratégie de reproduction de l'A. rhodensis à trois sexes peut être résumée comme un pari de couverture évolutif astucieux.

"Je considère l'espèce comme un joueur", a-t-elle déclaré. "Il s'agit toujours de parier sur si la vie va mal ou si elle va bien."

Ces paris prennent la forme du mélange des sexes de la progéniture, a expliqué Shakes: "Le but ultime est de faire autant d'arrière-petits-enfants que possible."

Une bonne vie pour une colonie de nématodes est assez basique. Shakes le résume : "J'ai beaucoup de bactéries à mâcher et ma progéniture aura la même chose, mais l'environnement pourrait changer très rapidement."

Quand la vie est belle, un mélange homme-femme sera payant. Lorsque les choses commenceront à empirer, un ver voudra élever beaucoup de petits hermaphrodites coriaces qui iront dans le monde entier pour explorer de nouvelles parcelles de nourriture et fonder de nouvelles colonies.

"Ce qui est curieux, c'est que nous ne savons pas grand-chose sur ce qu'ils font dans la nature", a-t-elle déclaré. "Il n'y a pas beaucoup de recherches à ce sujet, mais il y a beaucoup de caractéristiques qui suggèrent que dans la nature, il y a beaucoup d'hermaphrodites."

A. rhodensis n'a été trouvé que deux fois dans la nature, a déclaré Shakes. L'un était dans le Connecticut et l'autre dans la Virginie des Appalaches. Les deux spécimens ont été trouvés associés à d'autres animaux, une tique morte et un coléoptère. Elle dit que les nématodes robustes et explorateurs étaient probablement intéressés par le transport.

"Ils n'infectent probablement pas ces coléoptères ou ces tiques, mais ils vont en fait s'asseoir là et s'agiter dans les airs. Ils essaient de se faire ramasser par un insecte. Ils veulent monter. ils ne mesurent qu'un millimètre de long— ils ne peuvent ramper que jusqu'à présent », a expliqué Shakes. "S'ils peuvent être ramassés par un scarabée ou une tique ou quelque chose du genre, ils peuvent aller beaucoup plus loin."


La transcriptomique spatiale des mâles et des hermaphrodites de C. elegans identifie des différences spécifiques au sexe dans les modèles d'expression génique

Pour faire progresser notre compréhension des programmes génétiques qui conduisent à la spécialisation des cellules et des tissus, il est nécessaire d'obtenir une vue d'ensemble complète des modèles d'expression des gènes. Ici, nous avons utilisé la transcriptomique spatiale pour générer des cartes d'expression génique antéropostérieures à haute résolution des mâles et des hermaphrodites de C. elegans. Pour explorer ces cartes, nous avons développé des méthodes informatiques permettant de découvrir des gènes spécifiques à une région et à un tissu. Nous avons trouvé d'importantes différences d'expression des gènes spécifiques au sexe dans la lignée germinale et le sperme et découvert des gènes qui sont spécifiquement exprimés dans l'appareil reproducteur masculin. Ceux-ci comprennent un groupe de gènes non caractérisés qui codent pour de petites protéines sécrétées nécessaires à la fertilité masculine. Nous concluons que les cartes d'expression spatiale des gènes fournissent une ressource puissante pour identifier les fonctions des gènes spécifiques aux tissus chez C. elegans. Surtout, nous avons constaté que les cartes d'expression de différents animaux peuvent être alignées avec précision, permettant des comparaisons à l'échelle du transcriptome des modèles d'expression génique.

Mots clés: C. elegans CEL-seq ARNm de la lignée germinale séquençage du sperme de transcriptomique spatiale de fertilité masculine.


Pourquoi y a-t-il des mâles dans l'espèce hermaphrodite Caenorhabditis elegans ?

Le ver nématode vivant en liberté Caenorhabditis elegans se reproduit principalement comme un hermaphrodite autofertile, mais les mâles sont maintenus dans des populations de type sauvage à faible fréquence. Pour déterminer le rôle des mâles chez C. elegans, nous développons un modèle mathématique pour le système génétique des hermaphrodites qui peuvent s'autoféconder ou être fécondés par des mâles et nous effectuons des observations et des expériences en laboratoire sur C. elegans et une espèce dioïque apparentée. C. remanei. Nous montrons que l'efficacité d'accouplement de C. elegans est faible par rapport à une espèce dioïque et que les mâles de C. elegans sont plus attirés par les femelles C. remanei que par leurs hermaphrodites congénères. Nous postulons qu'une mutation génétique s'est produite au cours de l'évolution des hermaphrodites de C. elegans, entraînant la perte d'une phéromone sexuelle attractive présente dans l'ancêtre de C. elegans et de C. remanei. Nos résultats suggèrent que les mâles sont maintenus chez C. elegans en raison du système génétique particulier hérité de son ancêtre dioïque et en raison de la non-disjonction spontanée non adaptative des chromosomes sexuels, qui se produit pendant la méiose chez l'hermaphrodite. Un argument théorique montre que la faible fréquence d'accouplement mâle observée chez C. elegans peut soutenir des gènes spécifiques aux mâles contre la dégénérescence mutationnelle. Cela se traduit par la présence continue de mâles fonctionnels dans une espèce hermaphrodite à 99,9 % dans laquelle l'allogamie est désavantageuse pour les hermaphrodites.


Discussion

Il faut être deux pour danser le tango

C. elegans, en tant qu'espèce, semble être loin sur la voie de l'auto-reproduction complète, comme en témoigne une série de caractéristiques liées à la dégénérescence de l'allogamie, appelée le « syndrome d'autofécondation », comme la réduction de la valeur adaptative des génotypes hybrides, la réduction de l'attraction phéromonale d'hermaphrodites, et une fonction masculine diminuée dans les tests d'accouplement (Garcia et al. 2007 Chasnov et al. 2007 Coupeur 2008). Cependant, les mâles ne se sont pas éteints chez cette espèce, ce qui implique l'importance périodique ou dépendante du contexte de l'allogamie sur le terrain. Nos résultats mettent en évidence la coexistence de l'auto-reproduction et de l'allogamie chez les C. elegans comme un jeu stratégique et identifier le comportement hermaphrodite comme un axe de variation important régulant ce compromis.

Comment faire C. elegans les hermaphrodites régulent-ils s'ils s'accouplent avec des mâles ou s'auto-reproduisent ? Nous apportons la preuve d'un rôle multiforme du système sensoriel dans la régulation de cette décision. Parce que mécanosensorielle et sensorielle ciliée (osm-6) les neurones sont nécessaires pour que les hermaphrodites résistent à l'accouplement (Figure 1, E et F), nous proposons que les hermaphrodites perçoivent des signaux physiques et/ou phéromonaux du mâle qui déclenchent l'expression d'un comportement de résistance. Curieusement, nous avons trouvé des effets opposés sur la fréquence d'accouplement pour deux ensembles de neurones sensoriels exprimant les canaux TAX (Figure 1, G et H). Ce résultat démontre que la C. elegans le système nerveux est capable à la fois de réguler à la hausse et à la baisse la fréquence d'accouplement hermaphrodite, une condition préalable à l'expression d'une décision. La base cellulaire de ces interactions de signalisation concurrentes, ou si elles représentent une ou plusieurs sorties comportementales, reste à étudier plus avant.

On ignore en grande partie comment les comportements évoluent après un changement majeur dans l'histoire de la vie. Travaux récents (Nayak et al. 2005 Baldi et al. 2009) a impliqué la spécification et l'activation de l'auto-sperme comme deux traits responsables de l'origine de l'hermaphrodisme chez C. elegans. Spécifiquement, brouillard-2 semble être un dérivé récent C. elegans gène spécifique à la lignée requis pour que les hermaphrodites produisent du sperme (Nayak et al. 2005). De plus, la maturation des spermatozoïdes C. elegans hermaphrodites exige spe-8 et spe-27 transduction du signal (L'Hernault et al. 1988 Minniti et al. 1996). Par comparaison, C. elegans les hommes n'ont pas besoin brouillard-2 produire du sperme et utiliser deux voies de signalisation redondantes (impliquant spe-8/spe-27 ou essayez-5) pour activer les spermatozoïdes (Smith et Stanfield 2011). On s'attend à ce que le gain d'auto-reproduction par la production d'auto-sperme sélectionne pour la réduction de la commande d'accouplement de ces hermaphrodites nouvellement évolués. De manière cohérente, nous avons constaté que les hermaphrodites N2 naturellement appauvris en spermatozoïdes (figure 2A) ou porteurs de mutations qui perturbent la spécification des spermatozoïdes germinaux ou l'activation des spermatozoïdes (figure 2C) exprimaient une augmentation de l'accouplement. Ainsi, nous supposons qu'une étape supplémentaire dans l'évolution de l'hermaphrodisme est de renforcer l'auto-reproduction par l'expression comportementale de l'accouplement réduit. Parce que brouillard-2 est principalement exprimé dans la lignée germinale larvaire hermaphrodite (Clifford et al. 2000), il est peu probable que brouillard-2 médie directement le comportement. Au contraire, nous supposons qu'un signal interne, représentant l'état d'auto-reproduction chez les adultes matures, informe le comportement d'accouplement généré par le système nerveux.

Quels sont les mécanismes génétiques qui sous-tendent la variation de la fréquence d'accouplement des hermaphrodites ? Nous avons identifié deux QTL, compagnon-1 et compagnon-2, qui représentent une grande partie de la variation entre deux souches, N2 et HW (figure 3B). Cependant, il est peu probable que le compagnon-1 locus est le seul responsable de la variation phénotypique quantitative continue observée dans la fréquence d'accouplement parmi d'autres isolats de type sauvage (figure 4A), car le milieu du chromosome V qui s'étend sur le compagnon-1 locus ne présente presque aucune variation parmi ces souches et presque toutes les souches portent un allèle N2 (Rockman et Kruglyak 2009). Ce résultat indique que des gènes supplémentaires sont probablement responsables de la variation de la fréquence d'accouplement.

Nous supposons que les comportements favorisant l'accouplement sont plus susceptibles d'être l'état reproducteur ancestral de C. elegans, sur la base de nos résultats avec des spermatozoïdes mutants qui phénocopient au cours du développement l'hypothèse de l'état ancestral féminin de C. elegans. De plus, l'observation que les femmes de C. remanei, une espèce de croisement obligatoire étroitement apparentée, sont beaucoup plus attrayantes pour les hétérospécifiques C. elegans mâles que leurs congénères C. elegans hermaphrodites (Chasnov et al. 2007) suggère qu'au début C. elegans les hermaphrodites étaient peut-être plus attirants ou disposés à s'accoupler avec des mâles qu'ils ne le sont aujourd'hui.


Si l'hermaphrodite C. elegans peut se reproduire avec les femelles ? - La biologie

La lignée germinale hermaphrodite produit à la fois des gamètes mâles et femelles, des spermatozoïdes et des ovocytes, respectivement (voir la section lignée germinale dans WormBook). Les ovocytes sont produits tout au long de la vie adulte Les spermatozoïdes (spermatozoïdes) sont générés au cours de L4 puis utilisés à l'âge adulte pour féconder les ovocytes. La lignée germinale adulte présente une polarité distale et proximale, avec une population de cellules mitotiques située à l'extrémité la plus distale de la gonade et des cellules méiotiques, s'étendant de manière proximale. Parmi les cellules méiotiques se trouve également un gradient de progression méiotique avec des stades successifs de prophase de la méiose I s'étendant du bras distal, autour de la boucle dans le bras proximal de la gonade. La gamétogenèse se produit dans la partie proximale du bras gonadique (GermFIG 1).

La lignée germinale distale est un syncytium. Les cellules germinales ont des bords incomplets et sont reliées entre elles par un canal central appelé rachis (GermFIG 1 et GermFIG 2) (Hirsh et al., 1976). Une partie de la gonade distale n'est pas recouverte par les tissus somatiques (la &ldquobare region&rdquo) et n'est enrobée que par la lame basale gonadique (GBL) qui recouvre le reste de la gonade (SomaticFIG 2C) (voir Système reproducteur - Somatic Gonad Hall et al., 1999). A la base de chaque cellule germinale, et recouvrant le rachis, se trouve une matrice extracellulaire épaissie. Cette matrice contient de l'hémicentine et est censée renforcer et stabiliser l'ouverture des cellules germinales vers le rachis (GermFIG 2B Pericellular Structures) (Vogel et Hedgecock, 2001). Le point final du rachis peut différer à mesure que l'animal vieillit. Par exemple, chez les jeunes adultes, le rachis se termine dans la gonade proximale, juste après l'anse chez les adultes plus âgés, le rachis se termine dans la gonade distale, bien que toujours près de l'anse (McCarter et al., 1997). Les ovocytes peuvent conserver une connexion résiduelle au rachis même après avoir dépassé son point final apparent (J. White, comm. pers.), de sorte qu'un ovocyte en cours de maturation dans le bras proximal puisse conserver un bras fin et cryptique passant à travers la boucle pour le rachis distal.

L'extrémité la plus distale de la gonade adulte, appelée zone mitotique, contient une population de cellules souches. Au fur et à mesure que les cellules germinales s'éloignent de l'influence du DTC (voir Système reproducteur - Gonades somatiques), elles entrent en méiose I puis passent de la prophase I à la diacinèse (GermFIG 3A&ndashE) (Hirsh et al., 1976 revu dans Hubbard et Greenstein, 2000 Hansen et al., 2004).


La zone mitotique de l'adulte a une longueur d'environ 20 diamètres cellulaires, s'étendant du DTC à la zone de transition (GermFIG 3A) (décrite ci-dessous Crittenden et al., 1994). Avec la coloration DAPI au niveau de la microscopie optique, les noyaux en phase M peuvent être distingués du reste du cycle cellulaire : les noyaux sont relativement uniformes et, à tout moment, ont une fluorescence floue au centre et une coloration circonférentielle plus brillante. La chromatine condensée apparaît lorsque les noyaux entrent en prométaphase. Le nombre moyen de noyaux de phase M visibles dans une zone mitotique donnée chez l'adulte est faible, environ deux noyaux par bras (J. Maciejowski et E.J. Hubbard, comm. pers.). Au niveau de la microscopie électronique, les cellules germinales mitotiques sont uniformes en taille et en apparence (GermFIG 2). Chaque cellule est à peu près cubique, avec un gros noyau. Le cytoplasme contient quelques mitochondries, un réticulum endoplasmique rugueux (RER) limité et peu de ribosomes libres. Le rachis lui-même est également rempli de RER et de ribosomes, mais contient plus de mitochondries. La zone de transition est caractérisée par les cellules germinales entrant dans les premières phases de la prophase méiotique (leptotène et zygotène) et est définie comme la zone entre le noyau de transition le plus distal et le noyau de transition le plus proximal (Hansen et al., 2004). Un changement dans la morphologie nucléaire peut être montré avec DAPI : les noyaux sont condensés et en forme de croissant (GermFIG 3D).

Après avoir traversé la zone de transition, les cellules germinales se transforment en pachytène et se développent progressivement. Les noyaux de pachytène sont caractérisés par une morphologie distinctive en forme de « bol de spaghetti » lorsque les chromosomes homologues commencent à s'aligner côte à côte (GermFIG 3C). La sortie du pachytène nécessite l'activation d'une voie MAPK (MAP kinase), que l'on pense être déclenchée par un signal provenant de la gaine gonadique sus-jacente (Church et al., 1995 McCarter et al., 1997). La progression des noyaux en diplotène se produit dans la boucle et les cellules s'organisent en file indienne lorsqu'elles pénètrent dans le bras proximal (GermFIG 3).

En plus du destin des ovocytes et des spermatozoïdes, la mort cellulaire programmée (PCD) représente un destin cellulaire majeur parmi les cellules germinales adultes. On estime qu'environ la moitié de tous les ovocytes potentiels sont éliminés chez l'hermaphrodite adulte au cours de la progression de la prophase de la méiose I. La plupart des morts cellulaires surviennent près de la région de l'anse du bras gonadique, la région contenant les cellules germinales au stade pachytène (voir GermFIG 3A ,C). Il a été proposé que ces cellules germinales en excès puissent servir de population de cellules nourricières, fournissant des protéines et d'autres composants cytoplasmiques aux cellules germinales survivantes (Hengartner, 1997). Des analyses par microscopie électronique et optique de cellules mourantes révèlent que la mort cellulaire se produit par apoptose (GermFIG 4A&ndashC) (Gumienny et al., 1999). Comme dans les tissus somatiques, l'exécution de la mort cellulaire dépend de céd-3, ced-4, et ced-9 fonction. Cependant, des preuves génétiques suggèrent également que les mécanismes de mort des cellules somatiques et germinales peuvent ne pas être entièrement identiques (Hengartner et al., 1992 Gumienny et al., 1999). Les cellules de la gaine gonadique sus-jacentes (probablement la paire gaine-cellule 2) engloutissent les cadavres de la mort cellulaire (Gumienny et al., 1999).


La maturation de l'ovocyte a lieu dans l'ovocyte le plus proche de la spermathèque, juste avant l'ovulation, et est stimulée par la protéine majeure du sperme dérivée du sperme (MSP) (GermFIG 5) (Miller et al., 2001). Au cours de la maturation, une rupture de l'enveloppe nucléaire (NEBD également connue sous le nom de rupture des vésicules germinales) se produit, le noyau devient moins évident et les réarrangements corticaux rendent l'ovocyte plus sphérique. L'arrangement des chromosomes change à mesure que les chromosomes bivalents quittent la diacinèse et commencent à s'aligner sur la plaque métaphasique (Ward et Carrel, 1979 McCarter et al., 1999).

L'ovulation suit la maturation des ovocytes. Les signaux de l'ovocyte en maturation et du MSP stimulent le taux et l'intensité de la contraction de la gaine d'un taux basal de 10&ndash13 contractions/minute à environ 19 contractions/minute (McCarter et al., 1999 Miller et al., 2001, 2003). La maturation des ovocytes stimule également la dilatation distale de la spermathèque via l'activation de la voie RTK LIN-3/LET-23 et la signalisation IP3 (Clandinin et al., 1998 McCarter et al., 1999 Bui et Sternberg, 2002). La spermathèque dilatée est tirée sur l'ovocyte par la gaine en contraction, et la spermathèque se ferme alors. L'ovocyte est immédiatement pénétré par un spermatozoïde et fécondé. La reconnaissance cellulaire et cellulaire entre les gamètes au cours de ce processus est médiée par SPE-9, une protéine transmembranaire contenant un facteur de croissance épidermique (EGF) spécifique au sperme (Singson et al., 1998). Le flux cytoplasmique dans l'ovocyte accompagne la fécondation, la méiose est terminée et la sécrétion de la coquille commence (Ward et Carrel, 1979 Singson, 2001). L'embryon nouvellement formé passe ensuite de la spermathèque à l'utérus via la valve spermathèque-utérine.

Le développement de la lignée germinale s'étend de la L1 au début de l'âge adulte (GermFIG 6 GermMOVIE 1). Toutes les cellules germinales descendent de Z2 ou Z3 (Schedl, 1997 Hubbard et Greenstein, 2000). Contrairement au développement de la lignée somatique, les divisions cellulaires de la lignée germinale semblent être variables en ce qui concerne leur calendrier et leurs plans de division, et donc les relations linéaires précises entre ces cellules ne sont pas connues (Kimble et Hirsh, 1979). Dans L4, environ 37 cellules méiotiques par bras à l'extrémité la plus proximale de la lignée germinale s'engagent dans le développement du sperme. Par la suite, la lignée germinale passe de la fabrication de spermatozoïdes à la fabrication d'ovocytes pour le reste du développement et tout au long de l'âge adulte. Ce basculement entre le destin des cellules mâles et femelles résulte de la modulation de la lignée germinale de l'activité de la voie de détermination du sexe (Kuwabara et Perry, 2001). Le développement de la lignée germinale dépend des interactions avec la gonade somatique sus-jacente. Les cellules gonadiques somatiques, ou leurs précurseurs, affectent le moment et la position de la décision de mitose/méiose de la lignée germinale, et elles sortent du pachytène, de la gamétogenèse et du destin des gamètes mâles lors de la détermination du sexe de la lignée germinale (Kimble et White, 1981 Seydoux et al. ., 1990 McCarter et al., 1997 Rose et al., 1997 Pepper et al., 2003 Killian et Hubbard, 2004).

La lignée germinale de chaque bras de gonade produit environ 150 spermatozoïdes pendant L4 (GermFIG 6 et GermFIG 7A) (L&rsquoHernault, 1997). Environ 37 cellules germinales diploïdes par bras de gonade forment des spermatocytes primaires alors qu'elles sont encore attachées au rachis. Après le pachytène, les spermatocytes se détachent du rachis et achèvent la méiose, générant des spermatides haploïdes. Ce processus de formation des spermatides est appelé spermatogenèse (GermFIG 7B, C&D) (Ward et al., 1981).



Les spermatocytes en développement contiennent un grand nombre de vésicules spécialisées appelées organites fibreux corps-membranaires (FB-MO) (GermFIG8 A&B et GermFIG 9A). Ces organites contiennent des protéines nécessaires aux futurs spermatides et spermatozoïdes, dont le MSP (Ward et Klass, 1982). Au cours du développement, les FB-MO se séparent avec la portion du spermatocyte destinée à devenir la future spermatide (Ward, 1986). Le corps résiduel (GermFIG 7B&7D) agit comme une zone de dépôt pour les protéines et les organites qui ne sont plus nécessaires à la spermatide en développement (L&rsquoHernault, 1997 Arduengo et al., 1998 Kelleher et al., 2000).

La spermatogenèse a lieu au sein de la gonade proximale (GermFIG 7B). Les spermatides formées sont poussées dans la spermathèque par le premier ovocyte lors de la première ovulation. Dans la spermathèque, un signal inconnu induit la morphogenèse de ces spermatides sessiles en spermatozoïdes amiboïdes matures (sperme) (cf. GermFIG 9B&C) (Nelson et Ward, 1980 Ward et al., 1983). Ce processus d'activation est connu sous le nom de spermiogenèse.

Les spermatides et les spermatozoïdes en cours de maturation ont des noyaux très condensés et des mitochondries très compactes (GermFIG 9B&C). Dans les spermatides, les MO (qui manquent maintenant de FB) se localisent près de la périphérie cellulaire (GermFIG 9B). Au cours de l'activation des spermatides, les MO fusionnent avec la membrane plasmique, libérant leur contenu (principalement des glycoprotéines) à la surface cellulaire. Un pore de fusion est généré à la surface des cellules par le collier MO (GermFIG 9C). Les mutants affectés par la fusion MO produisent des spermatozoïdes avec une motilité défectueuse, ce qui suggère que la teneur en MO améliore la mobilité des spermatozoïdes (Ward et al., 1981 Roberts et al., 1986 Achanzar et Ward, 1997). Contrairement au sperme de nombreux autres embranchements animaux, C. elegans les spermatozoïdes ne sont pas flagellés. Au contraire, l'activation des spermatides implique la formation d'un pied ou d'un pseudopode qui permet au spermatozoïde de s'attacher aux parois de la lumière spermathécale et de ramper en se projetant et en traînant le corps cellulaire. Cette motilité est entraînée par la polymérisation dynamique de la MSP, qui, en plus de contenir des séquences qui médient la signalisation extracellulaire (décrite ci-dessus Miller et al., 2001), a une fonction cytosquelettique intracellulaire (Italiano et al., 1996 Roberts et Stewart, 2000) .

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Caenorhabditis elegans (Maupas, 1900)

C. elegans is unsegmented, vermiform, and bilaterally symmetrical. It has a cuticle (a tough outer covering, as an exoskeleton), four main epidermal cords, and a fluid-filled pseudocoelom (body cavity). It also has some of the same organ systems as larger animals. About one in a thousand individuals is male and the rest are hermaphrodites. The basic anatomy of C. elegans includes a mouth, pharynx, intestine, gonad, and collagenous cuticle. Like all nematodes, they have neither a circulatory nor a respiratory system. The four bands of muscles that run the length of the body are connected to a neural system that allows the muscles to move the animal's body only as dorsal bending or ventral bending, but not left or right, except for the head, where the four muscle quadrants are wired independently from one another. When a wave of dorsal/ventral muscle contractions proceeds from the back to the front of the animal, the animal is propelled backwards. When a wave of contractions is initiated at the front and proceeds posteriorly along the body, the animal is propelled forwards. Because of this dorsal/ventral bias in body bends, any normal living, moving individual tends to lie on either its left side or its right side when observed crossing a horizontal surface. A set of ridges on the lateral sides of the body cuticle, the alae, is believed to give the animal added traction during these bending motions. In relation to lipid metabolism, C. elegans does not have any specialized adipose tissues, a pancreas, a liver, or even blood to deliver nutrients compared to mammals. Neutral lipids are instead stored in the intestine, epidermis, and embryos. The epidermis corresponds to the mammalian adipocytes by being the main triglyceride depot. The pharynx is a muscular food pump in the head of C. elegans, which is triangular in cross-section. This grinds food and transports it directly to the intestine. A set of "valve cells" connects the pharynx to the intestine, but how this valve operates is not understood. After digestion, the contents of the intestine are released via the rectum, as is the case with all other nematodes. No direct connection exists between the pharynx and the excretory canal, which functions in the release of liquid urine. Males have a single-lobed gonad, a vas deferens, and a tail specialized for mating, which incorporates spicules. Hermaphrodites have two ovaries, oviducts, and spermatheca, and a single uterus. Anatomical diagram of a male C. elegans

C. elegans neurons contain dendrites which extend from the cell to receive neurotransmitters, and a process that extends to the nerve ring (the "brain") for a synaptic connection between neurons.Nonet, M. (2004) About the nematode Caenorhabdtis elegans The biggest difference is that C. elegans has motor excitatory and inhibitory neurons, known as cholinergic and gabaergic neurons, which simply act as further regulation for the tiny creature. They have no influence on the nervous system besides regulating neuron impulses.

Gut granules Numerous gut granules are present in the intestine of C. elegans, the functions of which are still not fully known, as are many other aspects of this nematode, despite the many years that it has been studied. These gut granules are found in all of the Rhabditida orders. They are very similar to lysosomes in that they feature an acidic interior and the capacity for endocytosis, but they are considerably larger, reinforcing the view of their being storage organelles. A remarkable feature of the granules is that when they are observed under ultraviolet light, they react by emitting an intense blue fluorescence. Another phenomenon seen is termed 'death fluorescence'. As the worms die, a dramatic burst of blue fluorescence is emitted. This death fluorescence typically takes place in an anterior to posterior wave that moves along the intestine, and is seen in both young and old worms, whether subjected to lethal injury or peacefully dying of old age. Many theories have been posited on the functions of the gut granules, with earlier ones being eliminated by later findings. They are thought to store zinc as one of their functions. Recent chemical analysis has identified the blue fluorescent material they contain as a glycosylated form of anthranilic acid (AA). The need for the large amounts of AA the many gut granules contain is questioned. One possibility is that the AA is antibacterial and used in defense against invading pathogens. Another possibility is that the granules provide photoprotection the bursts of AA fluorescence entail the conversion of damaging UV light to relatively harmless visible light. This is seen a possible link to the melanin–containing melanosomes. A lateral (left) side anatomical diagram of an adult-stage C. elegans hermaphrodite

Développement

Embryonic development The fertilized zygote undergoes rotational holoblastic cleavage. Sperm entry into the oocyte commences formation of an anterior-posterior axis. The sperm microtubule organizing center directs the movement of the sperm pronucleus to the future posterior pole of the embryo, while also inciting the movement of PAR proteins, a group of cytoplasmic determination factors, to their proper respective locations. As a result of the difference in PAR protein distribution, the first cell division is highly asymmetric. C. elegans embryogenesis is among the best understood examples of asymmetric cell division. All cells of the germline arise from a single primordial germ cell, called the P4 cell, established early in embryogenesis.Kimble J, Crittenden SL. Germline proliferation and its control. 2005 Aug 15. In: WormBook: The Online Review of C. elegans Biology [Internet]. Pasadena (CA): WormBook 2005-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK19769/ This primordial cell divides to generate two germline precursors that do not divide further until after hatching.

Axis formation The resulting daughter cells of the first cell division are called the AB cell (containing PAR-6 and PAR-3) and the P1 cell (containing PAR-1 and PAR-2). A second cell division produces the ABp and ABa cells from the AB cell, and the EMS and P2 cells from the P1 cell. This division establishes the dorsal-ventral axis, with the ABp cell forming the dorsal side and the EMS cell marking the ventral side. Through Wnt signaling, the P2 cell instructs the EMS cell to divide along the anterior-posterior axis. Through Notch signaling, the P2 cell differentially specifies the ABp and ABa cells, which further defines the dorsal-ventral axis. The left-right axis also becomes apparent early in embryogenesis, although it is unclear exactly when specifically the axis is determined. However, most theories of the L-R axis development involve some kind of differences in cells derived from the AB cell.

Gastrulation Gastrulation occurs after the embryo reaches the 24-cell stage. C. elegans are a species of protostomes, so the blastopore eventually forms the mouth. Involution into the blastopore begins with movement of the endoderm cells and subsequent formation of the gut, followed by the P4 germline precursor, and finally the mesoderm cells, including the cells that eventually form the pharynx. Gastrulation ends when epiboly of the hypoblasts closes the blastopore.

Post-embryonic development Under environmental conditions favourable for reproduction, hatched larvae develop through four larval stages - L1, L2, L3, and L4 - in just 3 days at 20 °C. When conditions are stressed, as in food insufficiency, excessive population density or high temperature, C. elegans can enter an alternative third larval stage, L2d, called the dauer stage (Dauer is German for permanent). A specific dauer pheromone regulates entry into the dauer state. This pheromone is composed of similar derivatives of the 3,6-dideoxy sugar, ascarylose. Ascarosides, named after the ascarylose base, are involved in many sex-specific and social behaviors. In this way, they constitute a chemical language that C. elegans uses to modulate various phenotypes. Dauer larvae are stress-resistant they are thin and their mouths are sealed with a characteristic dauer cuticle and cannot take in food. They can remain in this stage for a few months.http://www.wormatlas.org/hermaphrodite/introduction/mainframe.htm The stage ends when conditions improve favour further growth of the larva, now moulting into the L4 stage, even though the gonad development is arrested at the L2 stage. Each stage transition is punctuated by a molt of the worm's transparent cuticle. Transitions through these stages are controlled by genes of the heterochronic pathway, an evolutionarily conserved set of regulatory factors. Many heterochronic genes code for microRNAs, which repress the expression of heterochronic transcription factors and other heterochronic miRNAs. miRNAs were originally discovered in C. elegans. Important developmental events controlled by heterochronic genes include the division and eventual syncitial fusion of the hypodermic seam cells, and their subsequent secretion of the alae in young adults. It is believed that the heterochronic pathway represents an evolutionarily conserved predecessor to circadian clocks. Some nematodes have a fixed, genetically determined number of cells, a phenomenon known as eutely. The adult C. elegans hermaphrodite has 959 somatic cells and the male has 1033 cells, although it has been suggested that the number of their intestinal cells can increase by one to three in response to gut microbes experienced by mothers. Much of the literature describes the cell number in males as 1031, but the discovery of a pair of left and right MCM neurons increased the number by two in 2015. The number of cells does not change after cell division ceases at the end of the larval period, and subsequent growth is due solely to an increase in the size of individual cells.

Écologie

The different Caenorhabditis species occupy various nutrient- and bacteria-rich environments. They feed on the bacteria that develop in decaying organic matter (microbivory). Soil lacks enough organic matter to support self-sustaining populations. C. elegans can survive on a diet of a variety of bacteria, but its wild ecology is largely unknown. Most laboratory strains were taken from artificial environments such as gardens and compost piles. More recently, C. elegans has been found to thrive in other kinds of organic matter, particularly rotting fruit. C. elegans can also use different species of yeast, including Cryptococcus laurentii and C. kuetzingii, as sole sources of food. Although a bacterivore, C. elegans can be killed by a number of pathogenic bacteria, including human pathogens such as Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella enterica or Enterococcus faecalis. Invertebrates such as millipedes, insects, isopods, and gastropods can transport dauer larvae to various suitable locations. The larvae have also been seen to feed on their hosts when they die. Nematodes can survive desiccation, and in C. elegans, the mechanism for this capability has been demonstrated to be late embryogenesis abundant proteins. C. elegans, as other nematodes, can be eaten by predator nematodes and other omnivores, including some insects.Elaine R. Ingham Soil biology primer USDA The Orsay virus is a virus that affects C. elegans, as well as the Caenorhabditis elegans Cer1 virus and the Caenorhabditis elegans Cer13 virus.

Wild isolates of Caenorhabditis elegans are regularly found with infections by Microsporidia fungi. One such species, Nematocida parisii, replicates in the intestines of C. elegans. Arthrobotrys oligospora is the model organism for interactions between fungi and nematodes. It is the most common and widespread nematode capturing fungus.

La génétique

C. elegans was the first multicellular organism to have its whole genome sequenced. The sequence was published in 1998, although some small gaps were present the last gap was finished by October 2002.

Size and gene content The C. elegans genome is about 100 million base pairs long and consists of six pairs of chromosomes in hermaphrodites or five pairs of autosomes with XO chromosome in male C.elegans and a mitochondrial genome. Its gene density is about one gene per five kilo-base pairs. Introns make up 26% and intergenic regions 47% of the genome. Many genes are arranged in clusters and how many of these are operons is unclear. C. elegans and other nematodes are among the few eukaryotes currently known to have operons these include trypanosomes, flatworms (notably the trematode Schistosoma mansoni), and a primitive chordate tunicate Oikopleura dioica. Many more organisms are likely to be shown to have these operons. The genome contains an estimated 20,470 protein-coding genes. About 35% of C. elegans genes have human homologs. Remarkably, human genes have been shown repeatedly to replace their C. elegans homologs when introduced into C. elegans. Conversely, many C. elegans genes can function similarly to mammalian genes. The number of known RNA genes in the genome has increased greatly due to the 2006 discovery of a new class called 21U-RNA genes, and the genome is now believed to contain more than 16,000 RNA genes, up from as few as 1,300 in 2005. Scientific curators continue to appraise the set of known genes new gene models continue to be added and incorrect ones modified or removed. The reference C. elegans genome sequence continues to change as new evidence reveals errors in the original sequencing. Most changes are minor, adding or removing only a few base pairs of DNA. For example, the WS202 release of WormBase (April 2009) added two base pairs to the genome sequence. Sometimes, more extensive changes are made as noted in the WS197 release of December 2008, which added a region of over 4,300 bp to the sequence.

Related genomes In 2003, the genome sequence of the related nematode C. briggsae was also determined, allowing researchers to study the comparative genomics of these two organisms. The genome sequences of more nematodes from the same genus e.g., C. remanei, C. japonica and C. brenneri (named after Brenner), have also been studied using the shotgun sequencing technique. These sequences have now been completed.

Other genetic studies C. elegans adult with GFP coding sequence inserted into a histone-encoding gene by Cas9-triggered homologous recombination

As of 2014, C. elegans is the most basal species in the 'Elegans' group (10 species) of the 'Elegans' supergroup (17 species) in phylogenetic studies. It forms a branch of its own distinct to any other species of the group. Tc1 transposon is a DNA transposon active in C. elegans.

La reproduction

The hermaphroditic worm is considered to be a specialized form of self-fertile female, as its soma is female. The hermaphroditic germline produces male gametes first, and lays eggs through its uterus after internal fertilization. Hermaphrodites produce all their sperm in the L4 stage (150 sperm cells per gonadal arm) and then produce only oocytes. The hermaphroditic gonad acts as an ovotestis with sperm cells being stored in the same area of the gonad as the oocytes until the first oocyte pushes the sperm into the spermatheca (a chamber wherein the oocytes become fertilized by the sperm). The male can inseminate the hermaphrodite, which will preferentially use male sperm (both types of sperm are stored in the spermatheca). Once he recognizes a hermaphrodite worm, the male nematode begins tracing the hermaphrodite with his tail until he reaches the vulval region. The male then probes the region with his spicules to locate the vulva, inserts them, and releases sperm. The sperm of C. elegans is amoeboid, lacking flagella and acrosomes. When self-inseminated, the wild-type worm lays about 300 eggs. When inseminated by a male, the number of progeny can exceed 1,000. Hermaphrodites do not typically mate with other hermaphrodites. At 20 °C, the laboratory strain of C. elegans (N2) has an average lifespan around 2–3 weeks and a generation time of 3 to 4 days. C. elegans has five pairs of autosomes and one pair of sex chromosomes. Sex in C. elegans is based on an X0 sex-determination system. Hermaphrodites of C. elegans have a matched pair of sex chromosomes (XX) the rare males have only one sex chromosome (X0).

Sex determination C. elegans are mostly hermaphroditic organisms, producing both sperms and oocytes. Males do occur in the population in a rate of approximately 1 in 200 hermaphrodites, but the two sexes are highly differentiated. Males differ from their hermaphroditic counterparts in that they are smaller and can be identified through the shape of their tail. C.elegans reproduce through a process called androdioecy. This means that they can reproduce in two ways: either through self-fertilization in hermaphrodites or through hermaphrodites breeding with males. Males are produced through non-disjunction of the X chromosomes during meiosis. The worms that reproduce through self-fertilization are at risk for high linkage disequilibrium, which leads to lower genetic diversity in populations and an increase in accumulation of deleterious alleles. In C. elegans, somatic sex determination is attributed to the tra-1 gene. The tra-1 is a gene within the TRA-1 transcription factor sex determination pathway that is regulated post-transcriptionally and works by promoting female development. In hermaphrodites (XX), there are high levels of tra-1 activity, which produces the female reproductive system and inhibits male development. At a certain time in their life cycle, one day before adulthood, hermaphrodites can be identified through the addition of a vulva near their tail. In males (XO), there are low levels of tra-1 activity, resulting in a male reproductive system. Recent research has shown that there are three other genes, fem-1, fem-2, and fem-3, that negatively regulate the TRA-1 pathway and act as the final determiner of sex in C. elegans.

Evolution The sex determination system in C. elegans is a topic that has been of interest to scientists for years. Since C. elegans are used as a model organism, any information discovered about the way their sex determination system might have evolved could further the same evolutionary biology research in other organisms. After almost 30 years of research, scientists have began to put together the pieces in the evolution of such a system. What they have discovered is that there is a complex pathway involved that has several layers of regulation. The closely related organism Caenorhabditis briggsae has been studied extensively and its whole genome sequence has helped put together the missing pieces in the evolution of C. elegans sex determination. It has been discovered that two genes have assimilated, leading to the proteins XOL-1 and MIX-1 having an effect on sex determination in C. elegans as well. Mutations in the XOL-1 pathway leads to feminization in C. elegans . The mix-1 gene is known to hypoactivate the X chromosome and regulates the morphology of the male tail in C. elegans. Looking at the nematode as a whole, the male and hermaphrodite sex likely evolved from parallel evolution. Parallel evolution is defined as similar traits evolving from an ancestor in similar conditions simply put, the two species evolve in similar ways over time. An example of this would be marsupial and placental mammals. Scientists have also hypothesized that hermaphrodite asexual reproduction, or "selfing", could have evolved convergently by studying species similar to C. elegans Other studies on the sex determination evolution suggest that genes involving sperm evolve at the faster rate than female genes. However, sperm genes on the X chromosome have reduced evolution rates. Sperm genes have short coding sequences, high codon bias, and disproportionate representation among orphan genes. These characteristics of sperm genes may be the reason for their high rates of evolution and may also suggest how sperm genes evolved out of hermaphrodite worms. Overall, scientists have a general idea of the sex determination pathway in C. elegans, however, the evolution of how this pathway came to be is not yet well defined.

Research use

Asymmetric cell divisions during early embryogenesis of wild-type C. elegans

In 1963, Sydney Brenner proposed using C. elegans as a model organism for the investigation primarily of neural development in animals. It is one of the simplest organisms with a nervous system. The neurons do not fire action potentials, and do not express any voltage-gated sodium channels. In the hermaphrodite, this system comprises 302 neurons the pattern of which has been comprehensively mapped, in what is known as a connectome, and shown to be a small-world network. Research has explored the neural and molecular mechanisms that control several behaviors of C. elegans, including chemotaxis, thermotaxis, mechanotransduction, learning, memory, and mating behaviour. In 2019 the connectome of the male was published using a technique distinct from that used for the hermaphrodite. The same paper used the new technique to redo the hermaphrodite connectome, finding 1,500 new synapses. It has been used as a model organism to study molecular mechanisms in metabolic diseases. Brenner also chose it as it is easy to grow in bulk populations, and convenient for genetic analysis.Alt. URL It is a multicellular eukaryotic organism, yet simple enough to be studied in great detail. The transparency of C. elegans facilitates the study of cellular differentiation and other developmental processes in the intact organism. The spicules in the male clearly distinguish males from females. Strains are cheap to breed and can be frozen. When subsequently thawed, they remain viable, allowing long-term storage. Maintenance is easy when compared to other multicellular model organisms. A few hundred nematodes can be kept on a single agar plate and suitable growth medium. Brenner described the use of a mutant of E. coli – OP50. OP50 is a uracil-requiring organism and its deficiency in the plate prevents the overgrowth of bacteria which would obscure the worms. The use of OP50 does not demand any major laboratory safety measures, since it is non-pathogenic and easily grown in Luria-Bertani (LB) media overnight.

Notable findings The developmental fate of every single somatic cell (959 in the adult hermaphrodite 1031 in the adult male) has been mapped. These patterns of cell lineage are largely invariant between individuals, whereas in mammals, cell development is more dependent on cellular cues from the embryo. As mentioned previously, the first cell divisions of early embryogenesis in C. elegans are among the best understood examples of asymmetric cell divisions, and the worm is a very popular model system for studying developmental biology. Programmed cell death (apoptosis) eliminates many additional cells (131 in the hermaphrodite, most of which would otherwise become neurons) this "apoptotic predictability" has contributed to the elucidation of some apoptotic genes. Cell death-promoting genes and a single cell-death inhibitor have been identified. Wild-type C. elegans hermaphrodite stained with the fluorescent dye Texas Red to highlight the nuclei of all cells


6. Intestine

The hermaphrodite intestine produces yolk proteins, while the male intestine does not. This sex-specific cell fate is controlled by mab-3 et tra-1. MAB-3 is a DM domain containing transcription factor related to Drosophile Doublesex and mouse Dmrt1 (Raymond et al., 1998). mutations dans mab-3 cause yolk to be produced in males (Shen and Hodgkin, 1988). MAB-3 binds to a site in the promoter of the vit-2 vitellogenin gene in males, repressing vit-2 transcription (Yi et al., 2000). TRA-1A binds to a site in the mab-3 promoter in hermaphrodites, repressing mab-3 transcription (Yi and Zarkower, 1999). Thus, the hermaphrodite specific fate of the intestinal cells is controlled directly by the sex determination pathway.


Matériaux et méthodes

Strains

Strains were grown at 20° on NGM plates containing E. coli OP50. We used the laboratory C. elegans strain N2 as our wild-type strain (Sulston and Brenner 1974). We also used the N2 mutant strain JK574, which contains the fog-2(q71) allele, for our experiments.

RNA extraction

Synchronized worms were grown to either young adulthood or the sixth day of adulthood prior to RNA extraction. Synchronization and aging were carried out according to protocols described previously (Leighton et al. 2014). 1000–5000 worms from each replicate were rinsed into a microcentrifuge tube in S basal (5.85 g/liter NaCl, 1 g/liter 6 g/liter ), and then spun down at 14,000 rpm for 30 sec. The supernatant was removed and 1 ml of TRIzol was added. Worms were lysed by vortexing for 30 sec at room temperature and then 20 min at 4°. The TRIzol lysate was then spun down at 14,000 rpm for 10 min at 4° to allow removal of insoluble materials. Thereafter, the Ambion TRIzol protocol was followed to finish the RNA extraction (MAN0001271 rev. date: 13 Dec 2012). Three biological replicates were obtained for each genotype and each time point.

RNA-seq

RNA integrity was assessed using an RNA 6000 Pico Kit for Bio-Analyzer (Agilent Technologies #5067–1513) and mRNA was isolated using a NEBNext Poly(A) mRNA Magnetic Isolation Module (New England Biolabs, NEB, #E7490). RNA-seq libraries were constructed using the NEBNext Ultra RNA Library Prep Kit for Illumina (NEB #E7530), following manufacturer’s instructions. Briefly, mRNA isolated from ∼1 μg of total RNA was fragmented to the average size of 200 nt by incubating at 94° for 15 min in first-strand buffer, cDNA was synthesized using random primers and ProtoScript II Reverse Transcriptase, followed by second-strand synthesis using Second Strand Synthesis Enzyme Mix (NEB). Resulting DNA fragments were end-repaired, dA-tailed and ligated to NEBNext hairpin adaptors (NEB #E7335). After ligation, adaptors were converted to the ‘Y’ shape by treating with USER enzyme, and DNA fragments were size-selected using Agencourt AMPure XP beads (Beckman Coulter #A63880) to generate fragment sizes between 250 and 350 bp. Adaptor-ligated DNA was PCR amplified, followed by AMPure XP bead clean-up. Libraries were quantified with Qubit dsDNA HS Kit (ThermoFisher Scientific #Q32854) and the size distribution was confirmed with High Sensitivity DNA Kit for Bioanalyzer (Agilent Technologies #5067–4626). Libraries were sequenced on Illumina HiSeq2500 in single-read mode with a read length of 50 nt, following manufacturer’s instructions. Base calls were performed with RTA 1.13.48.0 followed by conversion to FASTQ with bcl2fastq 1.8.4.

Analyses statistiques

RNA-seq analysis:

RNA-seq alignment was performed using Kallisto (Bray et al. 2016) with 200 bootstraps. Kallisto was run in single-end read mode, setting the average fragment length of 200bp, and a standard deviation of 60bp for all samples. Differential expression analysis was performed using Sleuth (Pimentel et al. 2016). The following general linear model (GLM) was fitted: where is the TPM count for the jeth gene is the intercept for the jeth gene is the regression coefficient for variable X pour le jeth gene UNE is a binary age variable indicating first-day adult (0) or sixth-day adult (1) g is the genotype variable indicating wild type (0) or fog-2(lf) (1) and refers to the regression coefficient accounting for the interaction between the age and genotype variables in the jeth gene. Genes were called significant if the FDR-adjusted q-value for any regression coefficient was <0.1. Our script for differential analysis is available on GitHub.

Regression coefficients and TPM counts were processed using Python 3.5 in a Jupyter Notebook (Pérez and Granger 2007). Data analysis was performed using the Pandas, NumPy and SciPy libraries (McKinney 2011 Van Der Walt et al. 2011 Oliphant 2007). Graphics were created using the Matplotlib and Seaborn libraries (Waskom et al. 2016 Hunter 2007). Interactive graphics were generated using Bokeh (Bokeh Development Team 2014).

Tissue, phenotype, and gene ontology enrichment analyses (TEA, PEA, and GEA, respectively) were performed using the WormBase Enrichment Suite for Python (Angeles-Albores et al. 2016, 2017a). Briefly, the WormBase Enrichment Suite accepts a list of genes and identifies the terms with which these genes are annotated. Terms are annotated by frequency of occurrence, and the probability that a term appears at this frequency under random sampling is calculated using a hypergeometric probability distribution. The hypergeometric probability distribution is extremely sensitive to deviations from the null distribution, which allows it to identify even small deviations from the null.

Disponibilité des données

Strains are available from the Caenorhabditis Genetics Center. All of the data and scripts pertinent to this project, except the raw reads, can be found on our Github repository https://github.com/WormLabCaltech/Angeles_Leighton_2016. Supplementary Material, File S1 contains the list of genes that were altered in aging regardless of genotype. File S2 contains the list of genes and their associations with the fog-2(lf) phénotype. File S3 contains genes associated with the female-like state. Raw reads were deposited to the Sequence Read Archive under the accession code SUB2457229.


Sex, Worms, and Videotape

The brain reigns as the most important sex organ--even for microscopic worms. By "masculinizing" the tiny brains of genetically female nematodes, researchers have given these ladies sexual behavior typical of male worms and begun to unravel the neuronal circuits behind worm attraction.

Sex isn't to Caenorhabditis elegans--a 1-millimeter worm that feeds on soil bacteria--what it is to humans. The vast majority of individuals are genetically female, but they are really hermaphrodites, producing enough sperm to self-fertilize as many as 300 eggs. When food is abundant, females can release pheromones to attract the rare males, whose more robust sperm can fertilize as many as 1200 eggs. Whereas males actively seek out the pheromones, hermaphrodites don't.

To understand what makes the two sexes behave differently, Jamie White of the University of Utah, Salt Lake City, and his colleagues looked to the worms' brains, which number fewer than 400 neurons and are very different in males and hermaphrodites. In one experiment, White's group enlisted the help of a gene called fem-3, which, when it is overexpressed throughout the developing hermaphrodites' bodies, makes them males. The researchers overexpressed it in just the nervous systems, producing worms that had the bodies of hermaphrodites--they lacked the tail males use to copulate--but with intact male nervous systems.

The researchers filmed these mixed-up worms on a petri dish dabbed with the female pheromone. The modified worms moved toward the pheromone in fact, their behavior was indistinguishable from a male's. Apparently, a masculinized brain is all it takes for the worms to develop male-typical behavior, says White. That finding matches studies on mice and fruit flies that show that, depending on which genetic cues are activated in the nervous system, "core anatomy is capable of generating either male or female behavior," says neuroscientist Cori Bargmann of Rockefeller University in New York City.

The researchers also discovered that three small groups of cells in males' nervous systems--called AWA, AWC, and CEM--play a key role in the sexual attraction of males to females. When both the AWA and AWC groups, or just the CEM group, were zapped with a tiny laser beam, males lost interest in pheromones, the videotape revealed. When the same was done to the cell groups of immature males, however, the worms still displayed sexual attraction when they became adults. Apparently, the remaining neural groups take over the job of the lost cells. That makes sense, White says: "Sexual behavior needs to be very robust." This way, if something goes wrong in one type of neuron during development, "the male can still reproduce."


Voir la vidéo: C elegans movement (Août 2022).