Trotz der vielen oben erwähnten Fortschritte in jüngster Zeit ist unser Verständnis der Pheromon-Signalübertragung bei C. elegans begrenzt, insbesondere im Kontext natürlicher Lebensräume und bedeutender ökologischer Interaktionen. Wir schließen diese Übersicht mit der Identifizierung von zwei großen Kategorien von Problemen, mit denen Forscher auf diesem Gebiet derzeit konfrontiert sind, und schlagen Möglichkeiten vor, wie Systembiologen zu diesen Bemühungen beitragen könnten:
I.
Produktion und Dauerhaftigkeit von Ascarosid-Pheromonen in natürlichen Lebensräumen – Wie vermitteln Pheromone Informationen über die Erfahrungen eines Individuums? Wie begegnen Individuen Pheromonen in natürlicher Umgebung?
a.
Ziel 1: Aufdeckung der räumlichen Verteilung von Pheromonen
Es ist unklar, inwieweit Tiere Pheromone konstitutiv oder situativ freisetzen. Unbekannt ist auch, ob einzelne Moleküle in Pheromonmischungen unabhängig voneinander oder in koordinierten Impulsen freigesetzt werden. Die Klärung dieser Fragen ist notwendig, um zu verstehen, wie C. elegans Pheromonsignale wahrnimmt. Es wird erwartet, dass sich Ascaroside in der Umgebung, in der die Nematoden leben, leicht verbreiten. Dies wirft die Frage auf, wie die Tiere zwischen Signalen verschiedener Absender unterscheiden – Gradienten, die von einer Quelle ausgehen, oder als diskrete „Pakete“ aus mehreren Ascarosiden. Die Massenspektrometrie-Bildgebung ist eine Technik, die potenziell zur Charakterisierung der räumlichen Verteilung von Verbindungen wie Ascarosid-Pheromonen eingesetzt werden kann.
b.
Ziel 2: Bestimmen, wie sich die Verteilung der Pheromone im Laufe der Zeit verändert
Es ist weitgehend unklar, was mit Ascarosid-Pheromonen geschieht, nachdem sie in die Umwelt freigesetzt wurden, und ob sie verändert oder abgebaut werden oder nicht. Unterschiedliche chemische Bestandteile und Fettsäureketten lassen vermuten, dass die Abbau- und Diffusionsraten der verschiedenen Ascaroside unterschiedlich sein könnten. Experimentelle Messungen dieser Raten könnten dazu beitragen, festzustellen, wie Tiere zwischen verschiedenen Pheromonquellen unterscheiden und ob die Empfänger aufgrund des unterschiedlichen Abbaus oder der Modifizierung verschiedener Ascarosidkomponenten abschätzen können, wann der Sender das Signal freigesetzt hat.
c.
Ziel 3: Charakterisierung von Pheromonen in natürlichen Proben
Kritisch ist, dass die bisher identifizierten Pheromone in Laborsituationen nachgewiesen wurden. Es ist möglich, dass in natürlichen Lebensräumen andere Ascaroside freigesetzt werden, als Reaktion auf andere Nematodenarten, Krankheitserreger oder die Ernährung. Darüber hinaus sind die in den natürlichen Lebensräumen von C. elegans vorkommenden Ascaroside aus Nicht-Elegans-Quellen noch unzureichend charakterisiert. Metabolomics kann dazu verwendet werden, die Pheromone in Umweltproben zu untersuchen, die C. elegans enthalten.
II.
Wahrnehmung von Pheromonen durch die neuronalen Schaltkreise in den Empfängern – Wie werden die vom Sender übermittelten Botschaften vom Empfänger entschlüsselt? Können Würmer zwischen den ehrlichen Botschaften ihrer eigenen Spezies und den Botschaften anderer Spezies und von Betrügern unterscheiden?
a.
Ziel 1: Experimentelle Verknüpfung der Chemorezeptoren von C. elegans mit den Ascarosid-Liganden
C. elegans verfügt wahrscheinlich über Dutzende, wenn nicht Hunderte von Chemorezeptorgenen für die Wahrnehmung von Ascarosiden, aber die Entsprechung zwischen Liganden und Rezeptoren ist noch weitgehend unbekannt. In Drosophila und beim Menschen wurden groß angelegte heterologe Assays verwendet, um eine große Anzahl von Rezeptoren mit spezifischen Geruchsstoffen zu verknüpfen. In C. elegans wurden heterologe Ansätze mit geringem Durchsatz verwendet, um Pheromonrezeptoren zu identifizieren, aber diese Experimente könnten auf eine genomweite Ebene ausgeweitet werden. Vielversprechende Kandidaten aus heterologen Versuchen könnten mit CRISPR leicht in vivo getestet werden.
b.
Ziel 2: In silico Vorhersage von Ascarosid/Chemorezeptor-Paaren
Parallel dazu können Ligandendocking und Molekulardynamik verwendet werden, um die an einen bestimmten Chemorezeptor gebundenen Ascarosid-Pheromone vorherzusagen, wobei man sich ausschließlich auf Proteinsequenzinformationen stützt. Bei Erfolg könnte dieser Ansatz auf die wachsende Zahl verwandter Nematoden mit Genomsequenzen ausgedehnt werden. Wie verändert sich die Wahrnehmung von Askarosiden in Abhängigkeit von der Freisetzung von Pheromonen bei verschiedenen Arten? Inwieweit nehmen Arten Ascaroside wahr, die von anderen Arten produziert werden?
c.
Ziel 3: Charakterisierung der sensorischen Neuronen, die für die Verarbeitung von Ascarosid-Signalen verwendet werden
Die Identität von Ascarosid-bindenden GPCRs könnte verwendet werden, um zu bestimmen, welche Neuronen sie exprimieren, wodurch eine detaillierte Karte des sensorischen Teils des Nervensystems entsteht, der für die Verarbeitung von Pheromonsignalen zuständig ist. In Verbindung mit einer ähnlich detaillierten Karte der Gα-Proteinexpression (mit Einzelneuronenauflösung) und Experimenten zur Identifizierung physikalischer Kontakte zwischen GPCRs und Gα-Proteinen könnten die Hypothesen über die molekularen Mechanismen geprüft werden, die zu der Spezifität und Signaltrennung führen, die für die Ascarosid-Erkennung durch das Nervensystem charakteristisch sind.