Alla scoperta dei modelli animali: il Caenorhabditis elegans
Il C. elegans (o roundworm) è un piccolo vermetto appartenente al phylum dei nematodi. Le sue piccole dimensioni e la sua trasparenza consentono di osservare lo sviluppo delle strutture interne. Per questo motivo, viene utilizzato per studi di embriologia, apoptosi, invecchiamento e funzioni del sistema neuronale poiché dotato di tratto digestivo, sistema muscolare, sistema nervoso, sistema riproduttivo e organi sensoriali. È poco costoso e facile da mantenere in laboratorio perché la sua primaria fonte di nutrimento sono i batteri. La principale caratteristica di questo verme è che a partire dall’uovo fertilizzato vi è un set di divisioni cellulari ben definito e quindi conosciamo già la sorte di ogni singola cellula dello zigote [1]. Questo accade perché l’animale è composto da sole 1000 cellule.
Inoltre il suo utilizzo nella ricerca scientifica non richiede autorizzazioni di carattere bioetico dal momento che vengono considerati un metodo alternativo alla sperimentazione animale (poi non venitemi a dire che gli animalisti non sono specisti e che amano gli animali tutti allo stesso modo…).
Sesso e C.elegans
Da un punto di vista riproduttivo, ci sono due sessi: un verme maschio, più piccolo e con una sola gonade che produce gli spermatozoi, e un verme femmina, ermafrodita e in grado di effettuare autofertilizzazione poiché dotato di due gonadi, una delle quali produce lo sperma che poi andrà a fecondare l’uovo prodotto dall’altra.
Dopo la fertilizzazione della cellula uovo, vi sono una serie di divisioni cellulari molto rapide. Tali uova verranno poi deposte e dopo alcuni stadi di sviluppo all’esterno del corpo materno vi è la schiusa con rilascio della larva. Quest’ultima va incontro a una serie di metamorfosi fino a formare il sistema riproduttivo completo e raggiungere lo stadio fertile di adulto. Se le condizioni ambientali diventano non ottimali a causa di mancanza di cibo o poca umidità ambientale, la larva si trasforma in “Dauer”, uno stadio dell’animale che è resistente agli stress. Quando vengono recuperate le condizioni adatte, il verme riprende il suo ciclo vitale.
Verme da Nobel
Nel 2002, Brenner, Horwitz e Sulston vengono riconosciuti del premio Nobel per la medicina e fisiologia per le loro “scoperte riguardanti la regolazione genica dello sviluppo degli organi e la morte cellulare programmata” (https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2002/summary/).
C.elegans venne usato per seguire pazientemente lo sviluppo a partire da uovo fertilizzato, passando per lo stadio larvale, in adulto, processo durante il quale un certo numero di cellule muore per apoptosi [2]. Il nostro vermetto permise di definire le componenti genetiche che inducono proprio tale tipo di morte.
Il premio Nobel per la fisiologia e la medicina 2006 è stato assegnato invece ad Andrew Z. Fire e Craig C. Mello “per la loro scoperta dell’RNA interference” un meccanismo molecolare che consente il silenziamento di determinati geni bersaglio. https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2006/summary/
Nel 2008 invece Shimomura, Chalfie e Tsien vincono il premio Nobel per la chimica “per la loro scoperta e sviluppo del GFP (green fluorescent protein)”. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2008/summary/
Questa proteina fluorescente permette infatti di colorare di verde le cellule e di seguire una specifica linea cellulare durante la proliferazione in vivo. Il vantaggio di usare C.elegans fu proprio dettato dalla sua trasparenza.
Applicazioni di C.elegans nella ricerca scientifica
Il genoma di C.elegans fu il primo a essere sequenziato. Ha 18.424 geni (vs i 40 mila umani) ma il 40% di questi risultano essere ortologhi [3] a quelli umani, in particolar modo quelli che se mutati portano all’insorgenza di patologie. Le mutazioni di questi geni possono inoltre essere facilmente osservabili a livello fenotipico (alterazioni di lunghezza e spessore o cambiamenti nel movimento).
C.elegans può essere utilizzato per lo studio del sistema nervoso che comunque risulta essere più semplice rispetto a quello umano. Il verme infatti non possiede un cervello ma possiede ben 302 neuroni che gli permettono di avere un suo sviluppo neuronale e funzioni neuronali di base (come ad esempio trasmissione dei segnali elettrici e funzionamento delle sinapsi). È stato possibile quindi tracciarne il “connettoma”, cioè una mappa che descrive come tutti i neuroni siano interconnessi con gli altri.
Attualmente vengono utilizzati per studi comportamentali e di percezione degli stimoli chemo-attrattivi/repellenti o termici, per l’elettrofisiologia ma anche per studiare alcuni meccanismi delle patologie neurodegenerative. Di solito in queste malattie si ha una mutazione genetica che induce la produzione di una proteina neuronale con un ripiegamento errato o meno solubile che forma aggregati nel cervello. Un esempio è la Corea di Huntington dove questo ruolo di formazione di placche neurodegenerative è indotto dall’accumulo di Huntingtina: nel verme quindi può essere simulato parzialmente ciò che succede nel sistema nervoso umano. Questi animali non muoiono subito ma mostrano un fenotipo di invecchiamento precoce e di rallentamento nei movimenti. Tramite C. elegans è possibile studiare il fenomeno dell’invecchiamento dal punto di vista genetico poiché esistono in esso geni che se mutati portano all’allungamento o all’accorciamento della durata della vita. C.elegans viene anche adottato per studi oncologici in quanto i ricercatori hanno deciso di introdurre nel verme le stesse mutazioni che si trovano nel cancro umano grazie all’utilizzo dell’ormai celeberrimo CRISPR- Cas9.
Glossario:
- [1] zigote: cellula che si ottiene con la fecondazione, cioè dalla fusione tra spermatozoo e cellula uovo
- [2] apoptosi: morte cellulare programmata
- [3] geni ortologhi: geni presenti in specie diverse che codificano per proteine che hanno funzioni simili
