发布时间：2022-05-19
“听说你是研究神经科学的，一定很炫酷吧？”
“实际上…我每天都在养虫子，线虫。”
“养虫子？？？（告辞）”
“你不想知道奇奇怪怪的养虫小知识嘛？它是像线一样的小虫子吗？它吃什么？它住哪里？做实验时需要用手抓吗……别走呀！来认识一下这位科研之友嘛！”
高能预警：线虫玉照有些掉san哦。
你还是不要看了吧？
非要看？
破解生命奥秘的功臣
别看线虫其貌不扬，它可是科学研究中常用的模式生物之一，立下了“赫赫战功”，比如：
用线虫实验模型系统研究调节器官发育及细胞程序化死亡的基因，且发现这种基因在人体中也存在，这一成果获得了2002年诺贝尔生理学或医学奖。
2006年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给了安德鲁·法厄和克雷格·梅洛，他们阐明了线虫的RNA干扰机制。
马丁·查尔菲将线虫应用在绿色荧光蛋白的研究中，获得了2008年诺贝尔化学奖。
此外，线虫也是第一个完成全基因组测序的多细胞生物，第一个解析连接组（神经元之间连接沟通关系）的生物体，现在研究火热的microRNA也是在线虫中首先被发现并开展功能研究。另外，第一个寿命调控通路-胰岛素样信号通路也是在线虫中首次被发现。
近些年，笔者所在的研究所也利用线虫，筛选能够调控健康衰老的基因及其相关通路，以期解答个体之间衰老速率差异的原因，寻找衰老调控的机制，发掘更多衰老的奥秘。
为什么不同人衰老速率不一样呢？最近的研究显示，“RGBA-1神经肽-NPR-28受体”通路上基因的遗传变异在其中起了一定的作用，一点小小的变异就影响了该通路的活性，造就了不同线虫不一样的衰老历程。
RGBA-1-NPR-28通路遗传变异影响个体衰老速率
图片来源：Yin JA. et al., 2017, Nature.
另外，关于我们为什么随着时间推移慢慢会衰老，筛选也发现了一个随着年龄增长在体内累积表达的表观遗传调控因子BAZ2B，阻断其积累会对一系列行为退化产生改善。
阻断BAZ2B随时间的累积可以延缓衰老相关功能退化
图片来源：Yuan J. et al., 2020, Nature.
你好，正式认识一下
教科书里一般都会写到，线虫体型小，大小只有1mm，易于实验室大规模饲养；并且通体透明易于实验观察；遗传信息简单，生命周期短，易于实验操作。
严格来说，我们通常提及的模式生物线虫，学名为秀丽隐杆线虫，英文C.elegans (Caenorhabditis elegans)，归属于线虫门下的小杆线虫属。所以说不是土壤中随便见到的长得像线一样细长的小虫子就是实验室里使用的哦~
“秀丽”来源于它名字中的elegans（优雅，elegance），这是1900首次发现它的法国学者émile Maupas为它赋予的标识，据说是因为它优美的运动曲线。
自由运动的线虫
图片来源：维基百科
正弦曲线代表它来过
秀丽线虫的运动轨迹，呈现出正弦形状。这是由线虫腹部与背部两侧肌肉的规律性收缩造成的。
线虫走过的路像不像波浪线呢
图片来源：必应
可以通俗地说，它的“人生旅程”就是在一路画波浪线。当然，这条波浪线不是一路画到天涯海角，毕竟实验室里线虫的小家，可就只有一个培养皿的大小。
在这个小家里，线虫画出的波浪线弯弯曲曲，错综复杂。因为它会碰壁，不回头就会挂；也会碰到线虫伙伴们，寒暄过后便忘记来时的方向；还会为了探索这神奇的一方世界而四处寻寻觅觅兜兜转转……
大锅饭顿顿造
秀丽线虫吃细菌，对人无害。实验室会在培养皿里培养特定的大肠杆菌（通常为OP50品系），然后将线虫转移到培养皿上喂养。所有的线虫们共同抢食一片细菌领地，好不热闹。借助线虫吃细菌的这个特点，有时候实验员们会根据实验需求给线虫提供不一样的“大锅饭”，换换口味。
比如说我们要对线虫的基因表达进行操纵。就可以先让线虫的食物大肠杆菌带上一些特定的基因元件，等到线虫吃到肚子里后，这些元件就会对线虫产生作用，从而实现基因操纵的目的。线虫们永远也想不到，只是吃了新口味的饭，却可能改变了自己的一生…
食物（E. coli, 大肠杆菌）充足的培养板
图片来源：WormBook
每天都能住空调房
进行线虫培养的科研人员们，相比于其他模式生物使用者而言多享受了一个福利——可以沾线虫的光拥有冬暖夏凉的空调房！
秀丽线虫的培养温度在16℃到25℃之间。为了规范世界各地线虫研究的一致性，普通线虫一般采用20℃的适宜温度，除非有一些温度敏感型或基因缺陷的线虫需要特定的温度饲养。
在20℃时，常用的野生型秀丽线虫N2品系经历3天半就可以性成熟，成年之后大约18天“人生”就画上了句号。温度较低时线虫的生长速度减缓，寿命会延长；高温时线虫生长速度加快，生命的长度也随之缩短。
为了维持这样的环境，仅仅为线虫提供20℃的恒温培养箱还不够。实验人员操作的整个室内环境，都需要控制温度在20℃的条件，以避免温度波动影响线虫表型观察与假设验证。
线虫的培养箱设定
图片来源：作者提供
没有爸爸，也能快速繁殖
秀丽线虫不愧是实验室常用的低等动物模型，短短3天就能从卵发育到性成熟，此后就开始产卵拥有自己的孩子们，子子孙孙无穷尽也。
不过，你知道吗，线虫宝宝们一般都没有爸爸。秀丽线虫的性别机制比较独特，不像一般的动物是雌性和雄性，它们拥有雌雄同体和雄性两种性别。
显微镜下两种性别的线虫（你能分辨出来它们有何不同吗？）
图片来源：作者提供
雌雄同体有多独特呢，真是应了那句话，“既当爹又当妈”。它同时拥有卵子和精子两种生殖细胞，生娃完全可以独立完成。
雌雄同体的生殖器官可以看做一个长长的管道。到了适育年龄，它的生殖细胞开始成熟，其中精子先变成“成熟的模样”，就在前方等待着卵子。卵子从远处出发，在雌雄同体体内独自经过长长的旅程，见过无数的风景，越来越成熟。在经过精子所在的领地时发生受精，变成受精卵后接受了新的使命。受精卵拥有来到外部世界的通行证，它默默地积蓄力量，变成一颗颗成熟的卵探出头来。
雌雄同体线虫的生殖过程，蓝色箭头所示为卵子成熟过程的旅程，黄色箭头所示为卵子途径精巢发生受精，绿色箭头所示为受精卵由单细胞继续进行胚胎发育，从子宫内产出。（左右两侧胚胎形成过程对称）
图片来源：修改自WormAtlas
也是因为这样，实验室如果没有特殊的实验需求，只需要养着雌雄同体就行了，雄性似乎显得有点多余。毕竟一只健康的雌雄同体线虫短短几天就可以生300多颗卵，走到哪儿生到哪儿，实验材料取之不尽用之不竭。
雌雄同体线虫生出来的会是什么性别的后代呢？这就涉及到性染色体的组成。我们人类的性染色体为女性XX，男性XY。线虫雌雄同体的性染色体为XX，雄性的性染色体就只有一个X。因此，雌雄同体因为卵子和精子携带的性染色体都是X，所以受精之后生出来的还是雌雄同体XX。只有极少数的情况下，染色体分离时发生失误导致其中一个生殖细胞没有分到X，才会自发产生雄性后代。
所以，虽然没有爸爸，线虫们还是能够独自完成生育，偶尔也会为种群添几个男丁。
线虫和一颗颗卵宝宝们（图中一个个黑色的小点）
图片来源：必应
铂金才配给它搬家？
实验室的小鼠一般可以直接用手抓，线虫只有区区1mm，就像一个短线头，需要在显微镜下才能看清楚，用手抓实在有点强人所难了。当我们需要转移实验室里的线虫，给它们挪窝的时候，铂金丝针或眉毛针是不错的选择。
线虫生活在饲养了大肠杆菌的培养基上，所以每次挑取线虫的装备都需要灭菌防止培养基污染。铂金丝材料加热和冷却都很快，酒精灯上灼烧灭菌之后就可以用来挑取线虫，也不用担心烫到我们柔弱的虫子。短短的铂金丝，尖端是压扁的，像艘小船，线虫就乘着这艘“小船”，驶向新的未知港湾。
挑线虫的铂金丝针和眉毛针
图片来源：作者提供
除了铂金丝，眉毛或者头发也可以用来挑取线虫，但是因为它比较软易损耗，而且搭载虫子的量也不多，使用上有一些限制。
“冰河世纪”照样活
线虫和果蝇、小鼠这样的模式生物不同。把整条虫子冻在液氮（-196℃）或者-80℃冰箱中，保存几年之后照样可能复苏。
早在1974年Sydney Brenner发现了这一现象。和体外培养细胞的冻存类似，线虫这个多细胞生物的冻存也需要准备冻存缓冲液，并且对于线虫的发育时期和数量还有一定的要求。只有这样才能保证最后复苏的效率，即使在这个过程中大量的虫子都会殒命。
冰封在-80℃超低温冰箱中的线虫们
图片来源：作者提供
顶不住了，先躺平吧
虽说线虫比较低等，但它也有“小聪明”。正常线虫发育过程中，从卵孵化出来之后，会经历四个幼虫期（L1－L4），每一次时期转换以蜕皮的方式进行。
不过，当线虫族群比较拥挤或者遇到食物不足等一些极端状况，实在无法缓解时，却会出现一种特殊状态的线虫。此时，L2时期的线虫会“躺平”，进入一种耐久型幼虫的状态（Dauer larva）。
Dauer时期的线虫具有极强的抗压性，它们可以不吃食物，发育停滞，一直维持细长的体型继续存活几个月。而其他时期的虫子们在这个时候只能接受命运的安排，抱着对食物的渴望陆陆续续“含恨而终”。等到找到新的食物来源或者生存环境，Dauer时期的线虫可以立马“满血复活”，直接发育进入L4时期，等待成年期的到来。
线虫发育轨迹图
图源：WormBook
了解完这些，是不是觉得线虫世界变得更加奇妙了呢？而线虫还有更多奇妙的特性等着科学家们去发现。相信在线虫的帮助下，我们一定能破解更多的自然奥秘！
当然，也还有更多的线虫要培育…我先去养虫了。
参考资料：
[1] WormBook http://www.wormbook.org/
[2] WormAtlas https://wormatlas.org/
[3] 诺贝尔奖官网 https://www.nobelprize.org/
[4] Yin JA, Gao G, Liu XJ, et al. Genetic variation in glia-neuron signalling modulates ageing rate. Nature. 2017;551(7679):198-203. doi:10.1038/nature24463
[5] Yuan J, Chang SY, Yin SG, et al. Two conserved epigenetic regulators prevent healthy ageing. Nature. 2020;579(7797):118-122. doi:10.1038/s41586-020-2037-y
作者：中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心 胡慧祯
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