一对夫妻团队解开了蠕虫如何发育肠道的谜团

如果不是因为大流行，可能不会有关于线虫(细长的圆柱形蠕虫)发育的重要发现。随着2020年至2021年大学和学校的大部分课程和会议都转移到网上，加州大学河滨分校的夫妻研究团队终于抽出时间来探讨他们思考已久的问题：鉴于其他线虫中不存在负责确定秀丽隐杆线虫肠道的基因，与研究最深入的线虫秀丽隐杆线虫的远亲线虫是如何形成肠道的?

分子、细胞和系统生物学教授、该研究的通讯作者莫里斯·马杜罗(MorrisMaduro)说：“大流行为我们腾出一些时间来思考当大流行缓解后我们希望推进哪些研究”.

“幸运的是，我们进行的一项实验产生了令人惊讶的结果。事实证明，一个更简单的基因网络似乎参与了指定与线虫相关的线虫的肠道。线虫的一个祖先物种似乎复制并扩展了这个更简单的基因网络来制造一个更复杂的网络，而那个复杂的网络就是我们一直在研究的秀丽隐杆线虫网络。”

部分由于它的发展速度，秀丽隐杆线虫是生物学科中使用最广泛的模式生物之一，尤其是在研究基因如何协调发展方面。秀丽隐杆线虫长约一毫米，就像土壤中的食腐动物一样生活，它以腐烂食物中的微生物为食，例如细菌。线虫是雄性或雌雄同体(具有雄性和雌性生殖器官)并且自由生活。它既不是人类也不是植物寄生虫，不会感染或伤害科学家已知的任何生物。

马杜罗目前是分子、细胞和系统生物学系主任，研究秀丽隐杆线虫和其他线虫已有二十多年。他解释说，线虫的解剖结构很简单。消化系统是一个单一的器官，即肠，在秀丽隐杆线虫中，它是由早期胚胎中称为大肠杆菌的单个细胞的后代构成的。

“大约20年前，我们和其他人发现导致E细胞成为肠道祖细胞的基因网络涉及几个基因，这些基因都与称为GATA因子的转录因子家族有关，”马杜罗说。

Maduro的实验室长期以来一直使用秀丽隐杆线虫研究转录因子(激活基因表达的蛋白质)如何在早期动物胚胎中发挥作用。

“转录因子在我们所说的基因网络中发挥作用，这在生物学中不仅对动植物的发育很重要，而且对生物体如何应对环境变化，甚至癌细胞如何改变其在肿瘤内的特性也很重要，”马杜罗说。说。

他解释说，生物体中的蛋白质可以被认为是遗传工具包的一部分。

“想象一个工具箱，里面有锤子、螺丝刀和钻头等工具，”他说。

“你可以使用相同的工具来制作书架或建造房屋。虽然书架看起来与房屋不同，但它们可以使用相同的工具包建造。同样，生命形式可以找到多种使用蛋白质的方法，这些遗传工具是基因的产物。然而，随着时间的推移，不同的基因被激活，导致细胞在动物或植物中执行某些功能。由此产生的基因网络涉及使用相同类型转录因子的不同方式。”

Maduro和他的妻子GinaBroitman-Maduro发现，他们在秀丽隐杆线虫中研究了多年的指定肠道的基因在大多数其他线虫中都缺失了，这让他们想知道这些线虫是如何形成肠道的。

“到2021年底，随着大流行病的缓解，我们决定研究秀丽隐杆线虫的远亲C.angaria，看看我们是否能弄清楚它是如何形成内脏的，”马杜罗说。“这是一个长期的实验，因为我们没想到会弄清楚。然而，在几个月的时间里，我们发现秀丽隐杆线虫中的许多GATA因子只是C.angaria中的一个因子。这个单一的ELT-3因子实际上存在于秀丽隐杆线虫中，但它没有相同的功能。”

在秀丽隐杆线虫中，已知ELT-3因子与应激反应有关，其功能被另外两个基因END-1和END-3的功能所取代。正如删除ELT-3时在C.angaria中一样，当END-1和END-3都缺失时，C.elegans中的肠道无法形成。

马杜罗说：“从本质上讲，我们正在研究一种生物系统，它保留了较早进化时期(可能是20-50百万年前)的更简单网络，我们可以将其与从中进化而来的更复杂版本进行比较。”

“通过观察细胞内部，我们可以了解发育机制是如何随时间变化的。就好像我们有一台时间机器来观察秀丽隐杆线虫的祖先，并了解进化如何导致基因网络的一个版本改变为另一个没有显着改变蠕虫外观的变化。这些变化是内部的并且发生在“引擎盖下”，并提供了一个非凡的机会来了解自然如何找到不同的方式到达同一终点。

为了确保他们在正确的轨道上，马杜罗和Broitman-Maduro能够迫使C.angariaELT-3蛋白在正确的时间和地点在秀丽隐杆线虫中表达。他们表明它可以指定肠道。

“当人们想到基因在进化过程中发生变化时，他们会想到植物或动物做一些不同的事情——也就是说，基因发生变化，使动物更大、更快，或者可以做其他物种不能做的事情，比如抵抗一些病原体，或者在更恶劣的环境条件下生长，”该研究论文的第一作者、马杜罗实验室的副专家Broitman-Maduro说。

“在这里，基因网络的变化似乎没有任何根本的不同：​​远缘物种C.angaria的解剖学和发育与线虫几乎没有区别。”

Maduro和Broitman-Maduro现在正在研究的一个问题是，与其他线虫相比，为什么秀丽隐杆线虫需要更复杂的基因网络来指定肠道。

“我们的一个想法是新网络可以让秀丽隐杆线虫更快地发育，我们正试图更详细地研究这个想法，”马杜罗说。

“现在我们知道是什么指定了这些远缘线虫的肠道，我们计划通过观察更远缘的物种Pristionchuspacificus来研究这种机制是否更广泛地保存。”