秀丽隐杆线虫

秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，C. elegans）是一种可以独立生存的线虫（roundworm），长度约1 mm，生活在温度恒定的环境。自1965年起，科学家Sydney Brenner利用线虫作为分子生物学和发育生物学研究领域的模式生物（animal model）。

从任何意义上，秀丽隐杆线虫都是一种名副其实的美丽生物。显微镜下，它通身透明，纤细的身躯优雅的摆动，每一块肌肉的收缩与松弛一览无余。这种长不过1毫米的小生物有几个和人类关系密切的亲戚：蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎的两个。不过，秀丽线虫本身和自然状态的人关系不大，它生活在土壤中，以细菌为食，被称为“自由线虫”。在有着多达2000万同宗兄弟的线虫家族中，它们一直默默无闻地过着无人打扰的幸福生活，千百万年来，除了少数线虫分类学家，我们对它们也不闻不问。然而，当进入20世纪70年代时，秀丽线虫的平静生活被一群发育生物学家打破。线虫之所以能在经典模式生物的名单中占有一个重要位置，和它的形态特点有密切关系，它是唯一一个身体中的所有细胞能被逐个盘点并各归其类的生物。它的幼虫含有556个体细胞和2个原始生殖细胞，成虫则根据性别不同具有不同的细胞数。最常见的雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞，而较少见的雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞。此外，线虫的生命周期很短，它从生到死的全过程只有3天半，这就使得不间断地观察并追踪每个细胞的演变成为可能。只要把线虫浸泡到含有核酸的溶液中，就可以用这种最简单的方式实现基因导入。线虫还可以被冻在冰箱里储存，复苏之后继续研究。通过20年的努力，到90年代中期，人们已经建立了完整的线虫从受精卵到所有成体细胞的谱系图。这意味着，它机体里每一个细胞的来龙去脉都处于我们的视野中，清晰并且无所遗漏。

C. elegans 呈蠕虫状（vermiform）、两侧对称（bilateral symmetry），体表有一层角质层（cuticle）覆盖物，无分节（segmentation），有四条主要的表皮索状组织（epidermal cord）及一个充满体液的假体腔（pseudocoelom），以微生物（microorganism）为食，如埃希氏大肠杆菌（Escherichia coli）。

C. elegans 基本解剖构造包括一个口、咽、肠、性腺，及胶原蛋白角质层（collagenous cuticle）。有雄性及雌雄同体（hermaphrodite）两种性别，雄性有一个单叶性腺（single-lobed gonad），输精管，及一个特化为交配用的尾部。雌雄同体有两个卵巢、输卵管、藏精器，及单一子宫。绝大多数个体为雌雄同体，雄性仅占0.05%。

生命周期：雌雄同体个体产卵孵化后，经历四个幼虫期（L1-L4）。当族群拥挤或食物不足时，C. elegans会进入另一种幼虫期，叫做dauer幼虫。Dauer能对抗逆境，而且不会老化。雌雄同体个体在L4期生产精子、并在成虫期产卵。而雄性也能使雌雄同体受精，雌雄同体会优先选择雄性的精子。在实验室20 °C的环境下，C. elegans平均寿命为二、三周，而发育一个世代仅约为4天。

C. elegans 有五对常染色体（autosome）和一对性染色体（sex chromosome），是一个染色体数很少的二倍体。

C. elegans 作为一种典范生物被大量应用于现代发育生物学、遗传学、基因组学的研究中。C. elegans 在研究细胞分化方面特别有贡献，而且是第一个基因组完全被定序的多细胞生物。其基因组很小，仅有8×10^7 bp，为人类基因组的3%，约有13,500个基因。且C. elegans与原核相似，有25%左右的基因产生多顺反子mRNA（Polycistronic mRNA），此和它们通过反式剪接使下游基因得以表达有关。C. elegans 大部分是XX型的雌雄同体个体（hermaphrodites），大约每500个蠕虫有1个是XO型的雄体，此是染色体不分离的结果。

C. elegans 的优势在于为一种多细胞真核生物（eukaryote）。雌雄同体成虫有959个体细胞；雄成虫有1031个。且每一个体细胞的发育情况都研究得较为清楚。这个细胞世系（cell lineage）的规律在各个个体之间是几乎不变的。两种性别的个体，都有许多多出的细胞（雌雄同体131个，大部分原本会成为神经元）将经由细胞凋亡（apoptosis）的过程被除去。

除此之外，C. elegans 还是有最简单的神经系统的生物之一。在雌雄同体中，总共有302个神经元（neuron），其连接形式也已完全被建立出来（small-world network）。更多研究探索了与C. elegans 的一些特殊行为有密切关连的神经机制，包括趋化性（chemotaxis）、趋温性（thermotaxis），以及雄性交配行为。

细胞凋亡现象及其机理最早是在线虫中被揭示的。凋亡（apoptosis）是一个希腊文来源的词语，表达的是花儿凋谢、树叶飘零的景色。“梧桐一叶落而知天下秋”、“袅袅兮秋风，洞庭波兮木叶下”的意象恐怕正是说的这种意境：优雅，含蓄，还带点淡淡的忧伤，更因为飘落时那种虽然有些无奈却坦然以受之的美。由于线虫研究开创了一个对今日生物医学发展具有举足轻重的全新领域，同时也因为以线虫为基础的凋亡研究对基础和应用生物学产生的巨大推动作用，卡罗林斯卡医学院的诺贝尔奖评选委员会将2002年生理学和医学奖授予了线虫生物学的开拓者：西德尼·布雷纳（Sydney Brenner）、约翰·萨尔斯顿（John Sulston）和线虫凋亡之父罗伯特·霍维茨（Robert Horvitz）。

• Brenner, S. (1974). The genetics of Caenorhabditis elegans. Genetics, 77(1), 71-94.
• Sulston, J. E., & Horvitz, H. R. (1977). Post-embryonic cell lineages of the nematode, Caenorhabditis elegans. Developmental Biology, 56(1), 110-156.
• The C. elegans Sequencing Consortium. (1998). Genome sequence of the nematode C. elegans: a platform for investigating biology. Science, 282(5396), 2012-2018.
• Horvitz, H. R. (2003). Nobel Lecture: Worms, life and death. Bioscience Reports, 23(3), 107-134.
• White, J. G., Southgate, E., Thomson, J. N., & Brenner, S. (1986). The structure of the nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, 314(1165), 1-340.
• Kenyon, C. (2010). The genetics of ageing. Nature, 464(7288), 504-512.
• Chen, L., Wang, Q., & Zhao, Y. (2020). Advances in Caenorhabditis elegans as a model for aging research. Chinese Journal of Biotechnology, 36(7), 1306-1313.