嗯，在了解今日主角之前
先蟲恐預警吧 _ ( : з」∠ ) _
10 月 7 日，諾貝爾生理學或醫學獎揭曉。今年這一榮譽頒給了維克托 · 安布羅斯（Victor Ambros）和加裏 · 魯夫昆（Gary Ruvkun），以表彰他們在微小 RNA（microRNA）領域的貢獻。（戳詳細諾獎解讀）
雖然兩位研究者今年都是首次獲得諾貝爾獎，但他們的研究對象秀麗隐杆線蟲（Caenorhabditis elegans）卻已經是諾獎常客了。到目前爲止，共有四屆諾獎都與這種不起眼的小蟲子有關。
嗯？線蟲是什麽？又怎麽秀麗了？怎麽還能斬獲諾獎呢？
顯微鏡下的秀麗隐杆線蟲丨 kdfj / wikimedia
它們無處不在
秀麗隐杆線蟲屬于線蟲動物門，門内包含了超過兩萬五千種無脊椎動物。在适宜的環境裏，每一平方米就有可能生活着數以千萬計的線蟲。按個體數量計算，地球上80%的動物都是線蟲——全世界的動物們排排站好，你和下一位 " 非線蟲 " 之間平均隔着四條線蟲。
一種根結線蟲正試圖鑽進番茄的根丨 William Wergin & Richard Sayre / Wikimedia
這類平時少有人注意的生物，是地球生物圈中分布最廣的類群，兩極、高山、沙漠、大洋海底，都能見到它們的身影。美國線蟲分類學先驅納丹 · 科布（Nathan Cobb）曾說，如果宇宙中除了線蟲之外的所有物質都瞬間消失，那麽虛空中漂浮的線蟲将會是一個地球表面的複刻——山川湖海，城鎮鄉村，甚至樹木和動物，恐怕都可以通過分布其中的特定種類的線蟲還原出輪廓。
然而線蟲不光是 " 地表最強 "。2011 年，科學家們在南非地下幾公裏深的金礦表面，發現了以細菌爲食的線蟲。另外，還有相當一部分線蟲是寄生性的，比如我們最熟悉的蛔蟲。
線蟲動物門的多樣性，其中 a 是一種蛔蟲，b 是秀麗隐杆線蟲丨 Blumenthal & Davis / Nature Genetics（2004）
相比于體長可達 30 厘米的面條蛔蟲，秀麗隐杆線蟲可謂體态嬌小，成熟個體不過 1 毫米長，頭尾尖尖，中間是一段可以自由彎曲的圓柱體。它的屬名 Caenorhabditis 中包含了 " 杆狀的 " 詞根（rhabditis），而種本名 elegans 是 " 秀麗、優雅 " 的意思。看看秀麗隐杆線蟲正弦波一般的運動方式，你大概就會明白這個全身透明沒有顔色的 " 小蟲子 " 是如何得到這個名字的了。另外與蛔蟲不同的是，秀麗隐杆線蟲是非寄生性線蟲。
秀麗隐杆線蟲 " 優雅 " 的前進方式丨 Bob Goldstein / wikimedia
線蟲就是躺呀躺着走
線蟲雖小，" 五髒 " 俱全。作爲發育上和人類一樣擁有三個胚層的動物，秀麗隐杆線蟲的外胚層發育成了多個細胞融合的 " 合胞體 "，正是這層結構分泌的膠原蛋白組成了覆蓋全身的 " 皮 "，它是能夠随着蟲體生長而蛻落更新的 " 外骨骼 "。這也是線蟲動物門的特征之一，表明它們和同樣蛻皮的節肢動物門親緣關系相近。
箭頭所示爲線蟲身體不同部位融合形成的 " 外骨骼 "。丨 wormatlas.com
皮層下方是中胚層形成的四條縱貫身體的肌肉帶，由一套相互連接的神經細胞控制。由于肌肉的收縮方式，動圖中看到的其實是背腹方向的 " 彎腰 "，所以正常的秀麗隐杆線蟲總是在側躺着走路。
免疫熒光染色技術，勾勒出了秀麗隐杆線蟲的肌肉束丨 wormbook.org
肌肉内側則是一個充滿液體的假體腔，再往裏就是一條直來直去的消化道——口後方是附有肌肉細胞、可以碾碎食物的咽部，再往後就是腸道；腸道前後各有一小圈環狀細胞組成兩個 " 閥門 "，可開可關，相當于我們人類的贲門（食道進胃的入口）和肛門。長長的生殖腺就貼在消化道旁邊。
千裏挑一才有 " 真男人 "
從人類的角度來看，秀麗隐杆線蟲的生殖方式比較奇特，分爲 " 雌雄同體 " 和 " 雄性 " 兩個性别。正常生長的群體中絕大部分個體是雌雄同體：在發育未完全成熟的階段，雌雄同體産生精子并儲存在生殖腺中；發育成熟的個體産生卵子，和準備好的精子結合形成受精卵。
雌雄同體的内部結構丨 wormatlas.org
雌雄同體嚴格來說是一種雌性， 基因組中包括五對常染色體和兩條 X 性染色體。生成的精子和卵細胞都包含一套五條常染色體和一條 X 染色體，所以結合之後産生的胚胎自然絕大部分都是雌雄同體（5*2+2X）。
不過受精卵有極小概率随機丢失一條 X 染色體，就會轉而發育成雄性個體，可謂千裏挑一的 " 真男人 "（5*2+X）。雌雄同體自體授精能産生大約 300 個受精卵，而雄性個體給雌雄同體授精後，後代數量可以超過 1000 個。
遇到雌雄同體後的雄性與對方 " 親密接觸 "，用尾部的扇狀結構找到生殖腺開口進行授精丨 Kbrugman / wikimedia
諾獎四殺是如何完成的
秀麗隐杆線蟲最重要的身份就是科研模式生物了。在生物遺傳學研究初現繁榮的 20 世紀 50 年代，南非生物學家西德尼 · 布倫納（Sydney Brenner）爲分子生物學的發展做出了巨大貢獻，不過随後他轉而把興趣放到了生物體的神經發育機制上。然而人類的神經系統由一千億個神經元組成，要怎麽研究呢？布倫納找到了 " 身懷絕技 " 的秀麗隐杆線蟲。
首先，秀麗隐杆線蟲體型小，吃得簡單，長得快，生命力頑強——在實驗室常用的瓊脂平闆上養好一層大腸杆菌後放上線蟲，線蟲就能愉快地邊吃邊繁殖，室溫環境下三四天就能繁殖一代，壽命大約三周。實驗人員想放假？沒問題。把平闆直接放進 -80 ℃的冰箱凍上，出門浪完回來解凍一下，線蟲照樣活蹦亂跳 。雌雄同體自體授精的它們可以很方便地傳代，而雄性的存在又爲不同基因型的雜交提供了便利。
培養皿中間是大腸杆菌菌落，周圍一圈黑黑的是含有秀麗隐杆線蟲的土壤樣本（A）；以細菌爲食的線蟲被食物吸引如土壤中鑽出，挑出這些具有活性的線蟲個體，以進行下一代繁殖（B）丨 Antoine Barri è re & Marie-Anne F é lix / wormbook.org
其次，線蟲簡單又完整的身體構造是很好的研究起點。1983 年，英國科學家約翰 · 蘇爾斯頓（John Sulston）研究了秀麗隐杆線蟲的發育過程。在沒有先進儀器的年代，蘇爾斯頓靠着在光學顯微鏡下肉眼觀察透明蟲體，繪制了線蟲全部細胞的發育圖譜——從受精卵第一次分裂開始，線蟲的每次細胞分裂、每個細胞的功能和命運是完全确定的。這是世界上首個多細胞生物的細胞發育譜系。
以點表示神經細胞胞體，以線表示神經細胞的樹突與軸突，科學家繪制出了線蟲的神經細胞圖譜丨 The OpenWorm
今天，幾乎所有發育生物學課本中都會提到，雌雄同體線蟲在發育過程中會産生 1090 個細胞，其中有 131 個會在産生後啓動一個正常的凋亡程序而死去，隻留下 959 個。2002 年，諾貝爾生理學及醫學獎頒發給了布倫納、蘇爾斯頓和霍維茨（Howard Robert Horvitz）三位科學家，表彰他們在器官發育調控和程序性細胞凋亡研究中的貢獻。線蟲在諾獎名單上拿下一血。
左起依次爲布倫納、霍維茨和蘇爾斯頓，遺憾的是蘇爾斯頓已于 2018 年 3 月逝世丨 nobelprize.org
僅僅四年之後，諾貝爾生理學及醫學獎頒發給了安德魯 · 法厄（Andrew Fire）和克雷格 · 梅洛（Craig Mello），以表彰他們闡明了線蟲的 RNA 幹擾機制——兩人從不符合預期結果的空白對照組中，發現了生物體可以探測病原體雙鏈 RNA，并以此爲 " 向導 " 攻擊病原體基因組。現在，RNA 幹擾機制已經成爲了生物學研究的常用工具。線蟲當之無愧拿下了諾獎雙殺。
2008 年諾貝爾化學獎，三位獲獎人之一的馬丁 · 查爾菲（Martin Chalfie）正是把綠色熒光蛋白用在了線蟲研究中。線蟲完成諾獎三殺。
被插入了編碼綠色熒光蛋白基因的秀麗隐杆線蟲。丨 Dan Dickinson，Goldstein lab，UNC Chapel Hill
然後就是今年的諾貝爾獎了。獲獎者安布羅斯和魯夫昆分别研究了線蟲的兩個突變株，這些突變株在發育過程中表現出基因激活時間的異常。他們由此發現了一種全新的基因調控原理，這一機制由微小 RNA實現，這是一種此前未知的 RNA。
現在，我們知道人類基因組編碼超過 1000 種微小 RNA。沒有微小 RNA，細胞和組織就無法正常發育。而這一重要發現，離不開好用的模式生物——線蟲。
生命充滿奧秘，如同另一個宇宙。圖爲對細胞核進行了熒光染色後呈現出的秀麗隐杆線蟲丨 queensu.ca
事實上線蟲在生物學研究中有着更廣泛的應用。1998 年，通過人類基因組計劃的一個 " 預實驗 "，秀麗隐杆線蟲成爲世界上第一種被全基因組測序的多細胞生物。而截至 2012 年，由 302 個細胞連接組成的線蟲神經網絡，也完成了 " 連接組 " 測定。
體态優雅的秀麗隐杆線蟲，将繼續爲人類揭示生命機制的奇妙。
作者：盧平
本文來自果殼自然（ID：GuokrNature）
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