Der Fadenwurm (Nematode) Caenorhabditis elegans
ist ein hervorragender Modellorganismus zur Untersuchung der Funktionen humaner Krankheitsgene bzw. ihrer Homologen im Wurm. 1998 wurde sein Genom als erstes aller Mehrzeller komplett sequenziert. Überraschend war, dass für ungefähr 65% der humanen Krankheitsgene homologe Gene im Wurm existieren. Genknockouts können teilautomatisiert in wenigen Wochen erstellt werden. Die erst kürzlich etablierte RNA-Interferenzmethode (RNAi) ermöglicht es, hunderte, wenn nicht gar tausende Gene in parallelen Ansätzen im Hochdurchsatz und im Mikrotiterplattenmaßstab temporär zu inaktivieren. Da die Entwicklung des gesamten Zellstammbaums und das Verschaltungsmuster aller 302 Neuronen bekannt sind, ist eine Phänotypisierung der Mutanten (Morphologie, Verhalten, pharmakologische Beeinflussung) leicht und schnell durchzuführen. Trotz seiner scheinbar einfachen Struktur können in C.elegans Organogenese und auch komplexe neuronal kontrollierte Verhalten ( z.B. assoziatives Lernen und Antwort auf noxische Reize) untersucht werden. Dysfunktionen können Defekten individueller Zellen zugeordnet werden. Ferner sind die Tiere für molekularbiologische, genetische und biochemische Analysen geeignet. So können Proteininteraktionen und Suppressormutanten identifiziert werden und gesamte regulatorische Stoffwechselwege und Suppressormutanten analysiert werden.
Ein Modell zur Untersuchung von Krankheiten
Verschiedene Studien in den vergangenen Jahren haben gezeigt, dass sich C.elegans hervorragend als Modellorganismus eignet, um die Funktion von Krankheitsgenen zu untersuchen. Der hohe Grad an Sequenzhomologien, der zwischen Genen in C. elegans und dem menschlichen Genom gefunden wurde, führt zu signifikanten funktionalen Ähnlichkeiten der kodierten Proteine. Interessanterweise sind auch die Hauptsignalwege von C. elegans und den Vertebraten wie ras, Notch, TGFβ, wnt/wingless und der Insulin-Signalweg erstaunlich konserviert. In vielen Fällen funktionieren selbst etablierte Medikamente im Wurm, so dass C. elegans als Testorganismus für die Target-Validierung herangezogen werden kann (Identifizierung von Wirkmechanismen eines Wirkstoffs).
Automatisierung
Neben den einfachen Möglichkeiten genetischer Manipulationen kann dieser kleine Fadenwurm als exzellentes “tool” für die Biotechnologie-Industrie verwendet werden. C. elegans kann leicht in Mikrotiterplatten, sowohl im 96-er als auch im 384-er Format, angezogen werden. Da seine Rezeptorpharmakologie der humanen bemerkenswert ähnelt, können Medikamente und Nebenwirkungen mit C. elegans und seinen Mutanten als in vivo Modell (Ganztiermodell) im Großmaßstab getestet werden. Methoden, die Auswertung zu automatisieren, wie z.B. Verhaltensveränderungen, Bewegungsdefekte oder Reaktionen auf Medikationen zu messen, wurden in verschiedenen Labors entwickelt. Medikamentenentwicklungen , die den “vermenschlichten Wurm” (z.B. C. elegans Knockout Stämme, die das homologe humane und mutierte Krankheitsgen exprimieren) im großen Maßstab verwenden, sind daher realisierbar. Und vielleicht wird eines Tages das erste wirksame Medikament gegen die Alzheimersche Krankheit oder die Duchennesche Muskeldystrophie das Ergebnis eines pharmakologischen Hochdurchsatzscreenings mit C. elegans als Ganztiermodell sein.
C. elegans ist der am besten untersuchte Modellorganismus
Einige Fakten zu C. elegans:
Seit Dezember 1998 ist das C. elegans Genom (100 Megabasen) komplett sequenziert. (The C. elegans Sequencing Consortium, 1998).
Etwa 50-65 % der zurzeit bekannten humanen (Krankheits-) Gene haben ein Homologes in C. elegans.
Die Positionen, Zelllinien und die Herkunft aller 959 somatischen Zellen sowie auch die Funktion vieler dieser Zellen sind im Detail bekannt.
Die genaue Anatomie und die synaptische Verschaltung jedes Neurons in seinem Nervensystem wurde elektronenmikroskopisch untersucht. Obwohl das Nervensystem von C. elegans unzweifelhaft sehr einfach gestaltet ist, ist es dennoch hoch spezialisiert, da die 302 Neuronen 118 funktionale Klassen darstellen, die einen hohen Grad an entwicklungsmäßigen und funktionalen Ähnlichkeiten zum humanen Nervensystem aufweisen.
C. elegans verwendet die gleichen Neurotransmitter wie Vertebraten und die Pharmakologie ihrer Rezeptoren ist bemerkenswert ähnlich.
C. elegans hat eine kurze Generationszeit (3 Tage) und kann leicht auf Agarplatten oder in Mikrotiterplatten kultiviert werden. Für mehr als 3000 Gene stehen Mutanten zur Verfügung; diese können als gefrorene Proben gelagert und leicht wieder angezogen werden.
Eine große Mutantenbibliothek, die die schnelle Analyse von Deletionsallelen jedes Kandidatengens erlaubt, ist für das Labor zugänglich. Sie wird verwendet um “knock-out” Mutationen von besonders interessanten Genen herzustellen.
C. elegans ist hervorragend dazu geeignet, funktionelle Analysen und Medikamententests im großen Maßstab und Hochdurchsatz durchzuführen.
