Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) strains are plant pathogenic bacteria that can cause serious blight of rice, and their virulence towards plant host is complex, making it difficult to be elucidated. Caenorhabditis elegans has been used as a powerful model organism to simplify the host and pathogen system. However, whether the C. elegans is feasible for studying plant pathogens such as Xoo has not been explored. In the present work, we report that Xoo strains PXO99 and JXOIII reduce the lifespan of worms not through acute toxicity, but in an infectious manner; pathogens proliferate and persist in the intestinal lumen to cause marked anterior intestine distension. In addition, Xoo triggers (i) the p38 MAPK signal pathway to upregulate its downstream C17H12.8 expression, and (ii) the DAF-2/DAF-16 pathway to upregulate its downstream gene expressions of mtl-1 and sod-3 under the condition of daf-2 mutation. Our findings suggest that C. elegans can be used as a model to evaluate the virulence of Xoo phytopathogens to host.
Kim, Sung-Moon;Jang, Sang-Ho;Son, Na-Rae;Han, Ching-Tack;Min, Kwan-Sik;Lee, Hak-Kyo;Hwang, Sue-Yun
Animal cells and systems
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v.16
no.4
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pp.280-288
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2012
Targeted degradation of proteins through ubiquitin-mediated proteolysis is an important control mechanism in various cellular processes. The process of ubiquitin conjugation is achieved by three enzyme complexes, among which the ubiquitin ligase complex (E3) is in charge of substrate specificity. The SCF (SKP1-CUL1-F-box) family portrays the largest and the most characterized member of the E3 ligases. For each SCF complex, the ubiquitination target is recognized by the F-box protein subunit, which interacts with the substrate through a unique C-terminal domain. We have characterized a novel F-box protein CFL-1 that represents a single LRR-type F-box (FBXL) in the Caenorhabditis elegans genome. CFL-1 is highly homologous to FBXL20 and FBXL2 of mammals, which are known to regulate synaptic vesicle release and cell cycle, respectively. A green fluorescence protein (GFP)-reporter gene fused to the cfl-1 promoter showed restricted expression around the amphid and the anus. Modulation of CFL-1 activity by RNAi affected the time interval between defecations. RNAi-treated worms also exhibited reduced tendency to form dauer when exposed to daumone. The potential involvement of CFL-1 in the control of defecation and pheromone response adds to the ever expanding list of cellular processes controlled by ubiquitin-mediated proteolysis in C. elegans. We suggest that CFL-1, as a single LRR-type F-box protein in C. elegans, may portray a prototype gene exerting diverse functions that are allocated among multiple FBXLs in higher organisms.
brc-2, an ortholog of BRCA2 in Caenorhabditis elegans, is essential in the maintenance of genetic integrity. In C. elegans, cellular location correlates with meiotic progression, and transgene-induced cosuppression is observed in the germ line but not in somatic cells. We used these unique features to dissect the role of brc-2 in the germ line from that in somatic cells. In situ hybridization of wild type animals revealed that brc-2 gene expression was higher in oocytes than in other germline cells, and was barely detectable in mitotic cells. In contrast, germ cells containing multicopies of the brc-2 transgene showed no significant in situ hybridization signal at any oogenesis stage, confirming that brc-2 expression was functionally cosuppressed in the transgenic germ line. RAD-51 foci formation in response to DNA damage was abrogated in brc-2-cosuppressed germ cells, whereas wild-type germ cells showed strong RAD-51 foci formation. These germ cells exhibited massive chromosome fragmentation and decompaction instead of six bivalent chromosomes in diakinesis. Accordingly, lethality was observed after the early stage of germline development. These results suggest that brc-2 plays essential roles in chromosome integrity in early prophase, and therefore is crucial in meiotic progression and embryonic survival.
Caffeine has both positive and negative effects on physiological functions in a dose-dependent manner. C. elegans has been used as an animal model to investigate the effects of caffeine on development. Caffeine treatment at a high dose (30 mM) showed detrimental effects and caused early larval arrest. We performed a comparative proteomic analysis to investigate the mode of action of high-dose caffeine treatment in C. elegans and found that the stress response proteins, heat shock protein (HSP)-4 (endoplasmic reticulum [ER] chaperone), HSP-6 (mitochondrial chaperone), and HSP-16 (cytosolic chaperone), were induced and their expression was regulated at the transcriptional level. These findings suggest that high-dose caffeine intake causes a strong stress response and activates all three stress-response pathways in the worms, including the ER-, mitochondrial-, and cytosolic pathways. RNA interference of each hsp gene or in triple combination retarded growth. In addition, caffeine treatment stimulated a food-avoidance behavior (aversion phenotype), which was enhanced by RNAi depletion of the hsp-4 gene. Therefore, up-regulation of hsp genes after caffeine treatment appeared to be the major responses to alleviate stress and protect against developmental arrest.
Lee, Juyeon;Bandyopadhyay, Jaya;Lee, Jin Il;Cho, Injeong;Park, Daeho;Cho, Jeong Hoon
Molecules and Cells
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v.38
no.1
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pp.51-57
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2015
The Caenorhabditis elegans peroxidasins, PXN-1 and PXN-2, are extracellular peroxidases; pxn-2 is involved in muscle-epidermal attachment during embryonic morphogenesis and in specific axon guidance. Here we investigate potential roles of the other homologue of peroxidasin, pxn-1, in C. elegans. A pxn-1 deletion mutant showed high lethality under heat-stress conditions. Using a transcriptional GFP reporter, pxn-1 expression was observed in various tissues including neurons, muscles, and hypodermis. A translational fusion showed that PXN-1::GFP was secreted and localized in extracellular matrix, particularly along body wall muscles and pharyngeal muscles. Various neuronal developmental defects were observed in pxn-1 mutants and in pxn-1 over-expressing animals, including handedness, branching, breakage, tangling, and defasciculation. These results suggest that pxn-1, like other peroxidasins, plays an important role throughout development.
Regulator of calcineurin 1 (RCAN1) binds to calcineurin through the PxIxIT motif, which is evolutionarily conserved. SP repeat phosphorylation in RCAN1 is required for its complete function. The specific interaction between RCAN1 and calcineurin is critical for calcium/calmodulin-dependent regulation of calcineurin serine/threonine phosphatase activity. In this study, we investigated two available deletion rcan-1 mutants in Caenorhabditis elegans, which proceed differently for transcription and translation. We found that rcan-1 may be required for calcineurin activity and possess calcineurin-independent function in body growth and egg-laying behavior. In the genetic background of enhanced calcineurin activity, the rcan-1 mutant expressing a truncated RCAN-1 which retains the calcineurin-binding PxIxIT motif but misses SP repeats stimulated growth, while rcan-1 lack mutant resulted in hyperactive egg-laying suppression. These data suggest rcan-1 has unknown functions independent of calcineurin, and may be a stimulatory calcineurin regulator under certain circumstances.
Diets based on carbohydrates increase rapidly the blood glucose level due to the fast conversion of carbohydrates to glucose. High glucose diets have been known to induce many lifestyle diseases. Here, we demonstrated that high glucose diet shortened the lifespan of Caenorhabditis elegans through apoptosis induction. Control adult groups without glucose diet lived for 30 days, whereas animals fed 10 mg/L of D-glucose lived only for 20 days. The reduction of lifespan by glucose diet showed a dose-dependent profile in the concentration range of glucose from 1 to 20 mg/L. Aging effect of high glucose diet was examined by measurement of response time for locomotion after stimulating movement of the animals by touching. Glucose diet decreased the locomotion capacity of the animals during mid-adulthood. High glucose diets also induced ectopic apoptosis in the body of C. elegans, which is a potent mechanism that can explain the shortened lifespan and aging. Apoptotic cell corpses stained with SYTO 12 were found in the worms fed 10 mg/L of glucose. Mutation of core apoptotic regulatory genes, CED-3 and CED-4, inhibited the reduction of viability induced by high glucose diet, which indicates that these regulators were required for glucose-induced apoptosis or lifespan shortening. Thus, we conclude that high glucose diets have potential for inducing ectopic apoptosis in the body, resulting in a shortened lifespan accompanied with loss of locomotion capacity.
KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS)
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v.16
no.9
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pp.2846-2866
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2022
Caenorhabditis elegans exhibits sophisticated chemotaxis behavior through two parallel strategies, klinokinesis and klinotaxis, executed entirely by a small nervous circuit. It is therefore suitable for inspiring fast and energy-efficient solutions for autonomous navigation. As a random search strategy, the Lévy walk is optimal for diverse animals when foraging without external chemical cues. In this study, by combining these biological strategies for the first time, we propose a spiking neural network model for search and contour tracking of specific concentrations of environmental variables. Specifically, we first design a klinotaxis module using spiking neurons. This module works in conjunction with a klinokinesis module, allowing rapid searches for the concentration setpoint and subsequent contour tracking with small deviations. Second, we build a random exploration module. It generates a Lévy walk in the absence of concentration gradients, increasing the chance of encountering gradients. Third, considering local extrema traps, we develop a termination module combined with an escape module to initiate or terminate the escape in a timely manner. Experimental results demonstrate that the proposed model integrating these modules can switch strategies autonomously according to the information from a single sensor and control steering through output spikes, enabling the model worm to efficiently navigate across various scenarios.
Chatterjee, Nivedita;Yang, Ji Su;Park, Kwangsik;Oh, Seung Min;Park, Jeonggue;Choi, Jinhee
Environmental Analysis Health and Toxicology
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v.30
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pp.7.1-7.7
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2015
Objectives The widely promising applications of graphene nanomaterials raise considerable concerns regarding their environmental and human health risk assessment. The aim of the current study was to evaluate the toxicity profiling of graphene family nanano-materials (GFNs) in alternative in vitro and in vivo toxicity testing models. Methods The GFNs used in this study are graphene nanoplatelets ([GNPs]-pristine, carboxylate [COOH] and amide [$NH_2$]) and graphene oxides (single layer [SLGO] and few layers [FLGO]). The human bronchial epithelial cells (Beas2B cells) as in vitro system and the nematode Caenorhabditis elegans as in vivo system were used to profile the toxicity response of GFNs. Cytotoxicity assays, colony formation assay for cellular toxicity and reproduction potentiality in C. elegans were used as end points to evaluate the GFNs' toxicity. Results In general, GNPs exhibited higher toxicity than GOs in Beas2B cells, and among the GNPs the order of toxicity was pristine > $NH_2$ > COOH. Although the order of toxicity of the GNPs was maintained in C. elegans reproductive toxicity, but GOs were found to be more toxic in the worms than GNPs. In both systems, SLGO exhibited profoundly greater dose dependency than FLGO. The possible reason of their differential toxicity lay in their distinctive physicochemical characteristics and agglomeration behavior in the exposure media. Conclusions The present study revealed that the toxicity of GFNs is dependent on the graphene nanomaterial's physical forms, surface functionalizations, number of layers, dose, time of exposure and obviously, on the alternative model systems used for toxicity assessment.
Intake of caffeine during pregnancy can cause retardation of fetal development. Although the significant influence of caffeine on animal development is widely recognized, much remains unknown about its mode of action because of its pleiotropic effects on living organisms. In the present study, by using Caenorhabditis elegans as a model organism, the effects of caffeine on development were examined. Brood size, embryonic lethality, and percent larval development were investigated, and caffeine was found to inhibit the development of C. elegans at most of the stages in a dosage-dependent fashion. Upon treatment with 30 mM caffeine, the majority ($86.1{\pm}3.4%$) of the L1 larvae were irreversibly arrested without further development. In contrast, many of the late-stage larvae survived and grew to adults when exposed to the same 30 mM caffeine. These results suggest that early-stage larvae are more susceptible to caffeine than later-stage larvae. To understand the metabolic responses to caffeine treatment, the levels of expression of cytochrome P450 (cyp) genes were examined with or without caffeine treatment using comparative microarray, and it was found that the expression of 24 cyp genes was increased by more than 2-fold (p < 0.05). Among them, induction of the cyp-35A gene family was the most prominent. Interestingly, depletion of the cyp-35A family genes one-by-one or in combination through RNA interference resulted in partial rescue from early larval developmental arrest caused by caffeine treatment, suggesting that the high-level induction of cyp-35A family genes can be fatal to the development of early-stage larvae.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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