秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，C. elegans）是一种可以独立生存的线虫 （roundworm），其个体小，成体仅1.5mm长，为雌雄同体（hermaphrodites），雄性个体仅占群体的0.2%，可自体受精或双性生殖；在20℃下平均生活史为3.5天，平均繁殖力为300-350个；但若与雄虫交配，可产生多达1400个以上的后代。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）。

中文学名：秀丽隐杆线虫

拉丁学名：Caenorhabditis elegans

亚属：Caenorhabditis

线虫简介

历史及意义(研究历史 研究意义)

生物学特征

细胞学特征

外太空实验的模式动物(哥伦比亚号空难幸存者 肌肉萎缩研究的模式动物)

线虫简介

秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans，C. elegans)是一种可以独立生存的线虫 (roundworm)，隶属于线形动物门，线虫纲，小杆线虫目，广杆线虫属。长度约1mm，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(nematode, Caenorhabditis elegans)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的一览无余。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，它们一直默默无闻的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，它从出生到性成熟的全过程只有3天半，这就使得不间断的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。

历史及意义

研究历史

1900年，Maupas把这种棒状的蠕虫命名为Rhabditis elegans，因为群体繁殖为“r-选择”的缘故，早在1948年Dougherty and Calhoun 便指出了它在遗传学研究中的重要性。1952年，Osche把它置于Caenorhabditis亚属，1955年Dougherty最终把它命名为Caenorhabditis elegans（其中Caeno意为 recent; rhabditis意为 rod; elegans意为nice）。我们目前广泛使用N2 Bristol品系，由Staniland从英格兰Bristol附近的蘑菇堆肥中分离，1965年被定为参考种N2。在此过程中，Dougherty建立了线虫的琼脂板接种大肠杆菌的培养方法和无菌单培养方法。对秀丽线虫的早期研究工作主要集中在解剖、营养、生理和生殖等方面，直到1960s中期，随着DNA双螺旋结构的揭示和遗传密码的发现，使得当时的生物学家认为，“人脑是生命科学研究的最后堡垒。”1963年，Sydney Brenner在写给剑桥大学分子生物学实验室主任Perutz的信中指出：“几乎所有的经典的分子生物学问题已经解决或在今后几十年内将得到解决，……今后分子生物学的任务是深入的探讨生命科学的其它领域，特别是发育和神经系统”。在此背景下，Brenner着手寻找一种具有生活周期短，个体小，容易繁殖的后生动物，1963年10月，他从Dougherty实验室获得了线虫 Bristol品系，并对此开展不懈的研究。在早期的研究工作中，Brenner分离得到了一些营养突变体，他转而使用EMS处理线虫，首先获得一种短小矮胖的个体，被命名为dpy-1。到1974年Brenner的论文The Genetics of Caenorhabditis elegans发表时，通过EMS诱变一共获得300多个线虫突变体，其中多数为隐性突变。突变表型涉及行为、运动和形态结构等方面，这些突变材料使得100多个基因得以表征，并被定位于6个连锁群。秀丽线虫作为模式生物的优越性也日渐显示，如通体透明，体细胞数目恒定，特定细胞位置固定等，这使得它成为研究个体发生的良好材料。Sulston通过活体观察线虫的胚胎发育和细胞迁移途径，于1983年完成线虫从受精卵到成体的细胞谱系，是发育生物学史上具有里程碑性的发现，随后秀丽线虫在胚胎发育、性别决定、细胞凋亡、行为与神经生物学等方面研究中得到广泛应用。其中Brenner，Sulston和Horvitz因在线虫的遗传与发育方面的成就获得2002年诺贝尔医学或生理学奖。从1980年代中期开始的线虫基因组测序工作，于1998年完成，同年，Fire建立了线虫RNA干扰技术，该技术可以方便的沉默特定的基因，即通过反向遗传学（reverse genetics）研究特定基因的功能，目前在生命科学的许多领域得到应用，2006年，Fire和Mello因此而获得诺贝尔医学或生理学奖。

研究意义

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，这个字眼表达的是花儿凋谢，树叶飘零的景色。“梧桐一叶落而知天下秋 ”、“搦搦兮秋风，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年2002年生理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)。

今天，秀丽线虫因其遗传背景清楚、个体结构简单、生活史短、基因组测序完成等，在遗传与发育生物学、行为与神经生物学、衰老与寿命、人类遗传性疾病、病原体与生物机体的相互作用、药物筛选、动物的应急反应、环境生物学和信号传导等领域得到广泛应用。通过各国科学家的密切合作，线虫研究的资源共享体系为研究人员提供了极大的方便，如由NIH资助的线虫种质中心（CGC）贮藏了大量的线虫品系，免费分发给世界各地的研究者，而AceDB系统为研究者提供了大量的有关线虫的信息，线虫的DNA序列可以在NCBI或Wormbase网站上进行在线比对。

生物学特征

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 chromsome)。是一个染色体数很少的二倍体。

细胞学特征

C. elegans做为一种模式生物(model organism)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(cellular differentiation)方面特别有贡献，而且是第一个基因组(genome)完全被定序(sequencing)的多细胞生物。其基因组很小，仅有80,000,000 bps，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（PolycistronicmRNA），此和它们通过反式剪接使下游基因的到表达有关。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(multicellular)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(somatic cell)()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(nervous system)的生物之一。在雌雄同体中，总共有302个神经元(neuron)，其连结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。

在2002年，诺贝尔生理医学奖(Nobel Prize)颁发给Sydney Brenner、H. Robert Horvitz和John Sulston以表扬他们通过对C. elegans的研究揭示细胞的程序性死亡(programmed cell death, PCD)机制，及器官发育遗传学的贡献。

外太空实验的模式动物

哥伦比亚号空难幸存者

秀丽隐杆线虫曾在2003年成为媒体关注焦点，当时它们在“哥伦比亚”号空难中幸存下来。重返地球时，这些线虫被放入密封在铝罐内的培养皿。在航天飞机残骸坠地后几周，工作人员发现了这些幸存者。

肌肉萎缩研究的模式动物

美国宇航局的“阿特兰蒂斯号”航天飞机于2009年11月17日凌晨顺利升空，任务是把零部件送入国际空间站和搭载百万秀丽隐杆线虫。

秀丽隐杆线虫只有在显微镜下才能看到，是用于研究人体生理出现的长期变化的最完美替代物，原因在于：它们在很多相同条件下也和人类一样出现肌肉萎缩现象。肌肉萎缩是宇航员担心的主要健康问题之一。除了肌肉萎缩外，这项研究还将帮助科学家更多地了解零重力状态如何影响卧床不起的人，卧床不起主要由肌肉萎缩症、糖尿病、外伤和衰老所致。因此，这些线虫这次成为太空游客，目的旨在帮助诺丁汉大学的专家进一步了解什么因素引起人体肌肉增强和萎缩。在空间站，这些线虫将经历导致宇航员肌肉出现戏剧性萎缩的无重力状态。

诺丁汉大学位于德比的临床医学研究所的纳撒尼尔·瑟奇亚克博士，多年来对控制肌肉蛋白降解的信号进行研究，他的研究工作主要是围绕从英国布里斯托尔垃圾堆填区发现并收集的秀丽隐杆线虫展开的。

瑟奇亚克将为其中一些秀丽隐杆线虫注入一种名为“RNAi”的物质，这种物质能够帮助降低肌肉消耗。这位正与日本东北大学Atsushi Higashitani教授合作的博士说：“我们能够了解到在地球上无法了解的东西。如果能够找到何种因素导致人体在太空中以确定的方式作出反应，我们就能为在地球上进行的相关研究找到新的道路。”

瑟奇亚克的研究员蒂姆·伊瑟里奇负责帮助这些线虫事先为此次飞行做好了准备，它们的目的地空间站距离地球大约200英里(约合322公里)。为了这次飞行，这些精挑细选的线虫已进入一种睡眠状态。它们被放入特制的细胞培养袋并进入太空，而后在食物的帮助下从睡眠中苏醒过来。进入太空之后，它们将暴露在零重力环境下，时间为4天，而后接受冷冻，为重返地球做准备。回到诺丁汉大学的实验室之后，科学家将对此次太空飞行对肌肉质量产生何种影响进行分析。