Huolimatta monista viimeaikaisista edistysaskelista, joita on tuotu esiin edellä, ymmärryksemme feromonisignaalien välittämisestä C. elegansissa on rajallista, erityisesti luonnollisissa elinympäristöissä ja merkittävien ekologisten vuorovaikutusten yhteydessä. Päätämme tämän katsauksen määrittelemällä kaksi laajaa ongelmaryhmää, joita alan tutkijat tällä hetkellä kohtaavat, ja ehdotamme tapoja, joilla systeemibiologit voisivat edistää näitä ponnisteluja:
I.
Askarosidiferomonien tuotanto ja periytyminen luonnollisissa elinympäristöissä – Miten feromonit välittävät tietoa yksilön kokemuksista? Miten yksilöt kohtaavat feromonit luonnollisissa ympäristöissä?
a.
Tavoite 1: Feromonien alueellisen jakautumisen paljastaminen
On epäselvää, missä määrin eläimet vapauttavat feromoneja konstitutiivisesti tai tilannekohtaisesti. Ei myöskään tiedetä, vapautuvatko feromoniseosten yksittäiset molekyylit itsenäisesti vai koordinoiduissa pulsseissa. Näiden kysymysten ratkaiseminen on välttämätöntä sen ymmärtämiseksi, miten C. elegans kokee feromonisignaalit. Askarosidien odotetaan leviävän helposti ympäristöihin, joissa sukkulamadot elävät. Tämä herättää kysymyksen siitä, miten eläimet erottavat toisistaan eri lähettäjien tuottamat signaalit – lähteestä lähtevät gradientit tai useiden askarosidien erilliset ”paketit”. Massaspektrometrinen kuvantaminen on tekniikka, jota voidaan mahdollisesti käyttää askarosidiferomonien kaltaisten yhdisteiden alueellisen jakautumisen kuvaamiseen.
b.
Tavoite 2: Määritä, miten feromonijakaumat muuttuvat ajan mittaan
On suurelta osin epäselvää, mitä askarosidiferomoneille tapahtuu sen jälkeen, kun ne on vapautettu ympäristöön, ja muuttuvatko ne tai hajoavatko ne. Erilaiset kemialliset osat ja rasvahappoketjut viittaavat siihen, että eri askarosidien hajoamis- ja diffuusionopeudet voivat olla erilaisia. Näiden nopeuksien kokeelliset mittaukset voisivat auttaa määrittämään, miten eläimet erottavat toisistaan eri feromonilähteet ja voisivatko vastaanottajat arvioida, milloin lähettäjä on vapauttanut signaalin eri askarosidikomponenttien erilaisen hajoamisen tai muuntumisen perusteella.
c.
Tavoite 3: luonnehtia feromoneja luonnon näytteistä
Kriittistä on, että tähän mennessä tunnistetut feromonit on havaittu laboratorioympäristössä. On mahdollista, että luonnollisissa elinympäristöissä vapautuu erilaisia askarosideja vastauksena muihin sukkulamatolajeihin, patogeeneihin tai ruokavalioon. Lisäksi C. elegansin luonnollisissa elinympäristöissä esiintyviä muista kuin elegansin lähteistä peräisin olevia askarosideja on vielä huonosti tunnettu. Metabolomiikan avulla voidaan kartoittaa C. elegansia sisältävissä ympäristönäytteissä esiintyviä feromoneja.
II.
Feromonien havaitseminen vastaanottajien hermopiirien toimesta – Miten vastaanottaja tulkitsee lähettäjän välittämät viestit? Voisivatko madot erottaa oman lajinsa lähettämät rehelliset viestit muiden lajien ja huijareiden lähettämistä viesteistä?
a.
Tavoite 1: Yhdistetään kokeellisesti C. elegansin kemoreseptorit askarosidien ligandeihin
C. elegans omistaa todennäköisesti kymmeniä ellei satoja kemoreseptorigeenejä askarosidien aistimiseen, mutta ligandien ja reseptoreiden välinen vastaavuus on vielä suurelta osin tuntematon. Drosofiassa ja ihmisissä on käytetty laajamittaisia heterologisia kokeita, joilla suuri määrä reseptoreita on yhdistetty tiettyihin hajuaineisiin. C. elegansissa on käytetty matalan läpimenon heterologisia menetelmiä feromonireseptorien tunnistamiseksi, mutta näitä kokeita voitaisiin laajentaa genomin laajuiselle tasolle. Heterologisista esseistä saadut lupaavat ehdokkaat voitaisiin helposti testata in vivo CRISPR:n avulla.
b.
Tavoite 2: In silico ennustaa askarosidi/kemoreseptoripareja
Rinnakkain ligandien telakoitumisen ja molekyylidynamiikan avulla voidaan ennustaa tiettyyn kemoreseptoriin sitoutuneet askarosidi-feromonit pelkän proteiinisekvenssi-informaation varassa. Jos tämä lähestymistapa onnistuu, se voidaan laajentaa koskemaan kasvavaa määrää sukulaismatodeita, joilla on genomisekvenssejä. Miten askarosidituntemus muuttuu suhteessa feromonien vapautumiseen eri lajeissa? Missä määrin lajit aistivat muiden lajien tuottamia askarosideja?
c.
Tavoite 3: luonnehtia askarosidisignaalien käsittelyyn käytettäviä aistineuroneita
Askarosideja sitovien GPCR-ehdokkaiden identiteettiä voitaisiin käyttää sen määrittämiseen, mitkä neuronit niitä ilmentävät, jolloin saataisiin yksityiskohtainen kartta feromonisignaalien käsittelyyn tarkoitetusta hermoston aistinvaraisesta osasta. Yhdessä yhtä yksityiskohtaisen (yhden hermosolun resoluutio) Gα-proteiinin ilmentymiskartan ja GPCR:ien ja Gα-proteiinien välisten fyysisten kontaktien tunnistamiseen tähtäävien kokeiden kanssa auttaisi testaamaan hypoteeseja molekyylimekanismeista, jotka synnyttävät spesifisyyden ja signaalien erottelun, jotka ovat ominaisia askarosidien havaitsemiselle hermostossa.