تطور وتكاثر ذبابة Drosophila

تُستخدم ذبابة Drosophila melanogaster على نطاق واسع ككائن نموذجي في دراسة التطور والتكاثر. تمر ذبابة Drosophila بعدة مراحل نمائية في عملية تُعرف بدورة الحياة، وتوفر كل مرحلة منها منصة فريدة لأبحاث النمو والتطور. سنعرض في هذا الفيديو أساسيات تطور وتكاثر ذبابة Drosophila، بما في ذلك كيفية إعداد التهجين الجيني، وسنناقش كيف يمكن تطبيق هذه الأبحاث لفهم عمليات تتراوح من التئام الجروح إلى السلوك.

أولاً، دعونا نناقش دورة حياة ذبابة Drosophila. تمر Drosophila بأربع مراحل رئيسية من النمو: الجنين، واليرقة، والعذراء، والحشرة البالغة.

الجنين عبارة عن بيضة مخصبة يبلغ طولها حوالي 0.5 mm وشكلها بيضاوي. مباشرة بعد الإخصاب، يخضع الجنين لانقسام ميتوزي سريع دون نمو. تخضع النواة الزيجوتية لتسعة جولات من الانقسام النووي، ولكنها لا تخضع لانقسام السيتوبلازم، مما يؤدي إلى تكوين خلية متعددة النوى تسمى الأرومة blastoderm المدمجة. وبما أن جميع النوى في الأرومة المدمجة تشترك في سيتوبلازم واحد، يمكن للبروتينات أن تنتشر بحرية، مكونة تدرجات من المورفوجينات، والتي تعد مهمة لتحديد مخطط الجسم ونمط الأعضاء والأنسجة الفردية في الذبابة. بعد الانقسام النووي العاشر، تهاجر النوى إلى محيط الأرومة المدمجة. وبعد الجولة الثالثة عشرة من الانقسام النووي، والتي تحدث بعد حوالي 3 ساعات من الإخصاب، تصبح الـ 6000 نواة في الأرومة المدمجة منفصلة مكونة الأرومة الخلوية. تحتوي الأرومة الخلوية على طبقة واحدة من الخلايا وتتحول إلى بنية معقدة متعددة الطبقات في عملية تعرف باسم الت gastrulation (تكون الجنين). خلال عملية الـ gastrulation، تؤدي التغيرات في شكل الخلايا إلى حدوث انغمازات في الطبقة الواحدة، مما يؤدي في النهاية إلى تكوين الطبقات الجرثومية: الأديم الباطن (endoderm)، والأديم المتوسط (mesoderm)، والأديم الظاهر (ectoderm). ينشأ من الأديم الباطن القناة الهضمية، ومن الأديم المتوسط العضلات والقلب، ومن الأديم الظاهر البشرة والجهاز العصبي المركزي. وبعد 24 ساعة، يفقس الجنين على شكل يرقات.

اليرقات بيضاء اللون ولها أجسام مقسمة تشبه الديدان. تزحف اليرقات في الطعام الرطب وتأكل باستمرار، مما يؤدي إلى نمو سريع. تمر اليرقات بثلاث مراحل: الطور اليرقي الأول لمدة 24 ساعة، والطور اليرقي الثاني لـ 24 ساعة أخرى، والطور اليرقي الثالث لمدة 48 ساعة. ويحدث الانسلاخ بين كل مرحلة وأخرى. وعندما تصبح جاهزة للتحول إلى عذراء، تغادر يرقات الطور الثالث مصدر غذائها وتلتصق بسطح صلب، مثل جدار القنينة.

تكون العذراء غير متحركة، وتكون في البداية لينة وبيضاء اللون، ولكنها تتصلب في النهاية وتتحول إلى اللون البني. وعلى مدى فترة أربعة أيام، تتحلل أنسجة اليرقة وتتشكل أنسجة الحشرة البالغة. ويمثل الخروج (Eclosion) نهاية مرحلة العذراء حيث تخرج الذباب كحشرات بالغة.

بعد 8 ساعات من الخروج، تصبح الحشرات البالغة مستعدة جنسياً وتبدأ في التزاوج، مما يبدأ دورة الحياة من جديد.

تستغرق دورة الحياة الكاملة حوالي 10 أيام عند درجة حرارة 25 °C، ولكن يمكن أن تتأثر بدرجة الحرارة. على سبيل المثال، عند درجة حرارة 18 °C تستغرق دورة الحياة حوالي 19 يوماً، وعند 29 °C، تستغرق دورة الحياة 7 أيام فقط.

خلال عملية النمو، يعمل التنظيم الجيني الدقيق لتكوين الأنماط على إرساء مخطط الجسم وتحديد الأنسجة والأعضاء الفردية. ومن الأهمية بمكان أن تحديد المحور الأمامي-الخلفي يحدد اتجاه الكائن الحي من الرأس إلى الذيل، ويتم تنظيمه بواسطة عدة مجموعات من الجينات.

أولاً، يتم توفير جينات التأثير الأمومي في البويضة وتورث من الأنثى. وتكتسب هذه الجينات أهمية في أرومة البلاستوديرم المدمجة للتحديد الأولي للجزءين الأمامي والخلفي من الجنين. وبوجه خاص، يحدد جين bicoid الجزء الأمامي من الجنين بما في ذلك الرأس والصدر، بينما يحدد جين nanos الجزء الخلفي، بما في ذلك البطن.

ثانياً، تشمل جينات التقطيع، التي تنظمها جينات التأثير الأمومي، جينات الفجوة وجينات قاعدة الزوج. وتعمل جينات الفجوة على إرساء مخطط جسم مقطع على طول المحور الأمامي-الخلفي عن طريق تقسيم الجنين إلى أجزاء عريضة. أما جينات قاعدة الزوج فيتم التعبير عنها في نمط مخطط عمودي على المحور الأمامي-الخلفي، مما يؤدي إلى تقسيم الجنين بشكل أكبر إلى قطع أصغر. بعد ذلك، تبدأ جينات قطبية القطع، مثل engrailed، في تحديد مصائر الخلايا داخل كل قطعة.

أخيراً، تكون الجينات الهوميوية مسؤولة عن تحديد تراكيب تشريحية معينة، مثل الأجنحة والأرجل. ومن المثير للاهتمام أن ترتيب الجينات على الكروموسوم يعكس كيفية التعبير عنها على طول المحور الأمامي-الخلفي.

تعد ذبابة Drosophila كائنات شديدة الخصوبة يمكنها إنتاج آلاف الذراري خلال دورة حياتها. وتضع الإناث مئات البيوض يومياً وتستمر في تخصيب البيوض لفترة طويلة بعد حدوث التزاوج.

كما أن ذبابة Drosophila كائنات ذات ازدواج شكل جنسي، مما يعني أن الإناث متميزة ظاهرياً عن الذكور. وبوجه خاص، يكون الذكور أصغر حجماً من الإناث ولديهم أعضاء تناسلية خارجية داكنة اللون، بالإضافة إلى صبغة سوداء أكثر في الجزء السفلي من بطونهم. كما يمتلك الذكور مجموعة من الشعيرات على أرجلهم الأمامية تسمى أمشاط الجنس تستخدم للالتصاق بالأنثى أثناء الجماع. وتجعل هذه الاختلافات المظهرية الواضحة من السهل جداً تمييز الذكور عن الإناث، وهو أمر مفيد بشكل خاص عند إعداد تهجين جيني.

تعد عملية إعداد التزاوج مع ذبابة Drosophila تقنية مفيدة لدراسة علم الوراثة. لذا، دعونا نبدأ!

تتمثل الخطوة الأولى في إعداد التزاوج في جمع الإناث العذارى ذات الطراز الجيني المطلوب، حتى تتمكن من التحكم بدقة في الذكر الذي ستتزاوج معه. تعجز ذبابة Drosophila عن التزاوج خلال الساعات الثماني الأولى بعد الخروج من الشرنقة (eclosion)، لذا فإن جمع الحشرات البالغة حديثاً يضمن عذريتها. لجمع الإناث الخارجة حديثاً من الشرنقة، قم بنقل محتويات القارورة إلى وعاء التخلص من الحشرات (morgue) للتخلص من جميع الحشرات البالغة. افحص القارورة كل 3-4 ساعات بحثاً عن الحشرات البالغة الخارجة حديثاً، واجمع الإناث في قارورة جديدة خالية من الذكور حتى تصبح جاهزة للاستخدام. يمكن التعرف على الإناث العذارى من خلال لون جسمهن الفاتح جداً ووجود بقعة داكنة على البطن، تُعرف باسم المكونيوم (meconium).

عندما تكون مستعداً لبدء التزاوج، اجمع من 4-6 ذكور مع 4-6 إناث عذارى من الطرز الجينية المطلوبة في قارورة غذاء مؤرخة، واحفظها في درجة حرارة 25° C ورطوبة 60%. بعد 3-4 أيام، ستظهر اليرقات ويجب نقل الآباء إلى قارورة جديدة، لمنع الآباء من التزاوج مع النسل. بعد حوالي 10 أيام، سيخرج نسل جديد ويمكن فحص أنماطه الظاهرية.

من الأدوات التي يستخدمها باحثو Drosophila الكروموسومات الموازنة (balancer chromosomes) التي تمنع إعادة الاتحاد الجيني وتحتوي على علامات جينية مثل الأجنحة الملتوية (curly wings)، والتي تكون مفيدة في تحديد الطراز الجيني الصحيح للذبابة. إذا كنت ترغب في الحصول على ذباب متغاير الزيجوت لطفرتين مختلفتين، يمكنك إجراء تزاوج بين سلالة تحمل الطفرة رقم 1 فوق الكروموسوم الموازن CyO، وسلالة ثانية تحمل الطفرة رقم 2 موازنة أيضاً فوق CyO. وأي نسل يخرج بدون أجنحة ملتوية يكون متغاير الزيجوت لكلتا الطفرتين.

أداة أخرى شائعة الاستخدام في أبحاث Drosophila هي نظام UAS-GAL4، الذي يسمح للباحثين بالتعبير عن جين معين أو تثبيطه (knockdown) في نسيج محدد. GAL4 هو عامل نسخ من الخميرة يتم تحفيزه بواسطة محفز خاص بنسيج معين، وUAS هو تسلسل التنشيط العلوي (Upstream Activating sequence)، الذي يتحكم في التعبير عن الجين المستهدف. عندما تُزاوج ذبابة تحمل ترانزجين GAL4 خاص بنسيج معين مع ذبابة تحمل ترانزجين UAS يكون الجين المستهدف خلفه مباشرة، يرتبط بروتين GAL4 بتسلسل UAS ويحفز التعبير عن الجين المطلوب. على سبيل المثال، تزاوج UAS-GFP مع apterous-GAL4، وهو خاص بأقراص الجناح في مرحلة الخادرة، يؤدي إلى التعبير عن GFP تحديداً في تلك الخلايا.

هناك العديد من التطبيقات التي يمكن استخدامها لدراسة نمو وتكاثر ذبابة Drosophila. أحد هذه التطبيقات هو التحليلات السلوكية - وتحديداً سلوك التودد. أثناء التودد، يوجه الذكر نفسه نحو الأنثى ويتبعها بينما ينقرها بأرجله الأمامية. وإذا كانت الأنثى متقبلة، فإنها تسمح للذكر بالامتطاء. يقوم الذكر بثني بطنه ونقل السائل المنوي إلى الأنثى، وهي عملية تُعرف بالجماع. وتوفر تحليلات سلوكيات التودد هذه في طفرات مختلفة رؤية متعمقة حول التحكم الجيني في السلوك.

يُعد نمو ذبابة الفاكهة (Drosophila) عملية ديناميكية للغاية تتضمن العديد من تحركات الخلايا وتغيرات أشكالها، والتي يمكن دراستها عبر التصوير الحي. على سبيل المثال، يحدث الإغلاق الظهري أثناء التخلق الجنيني عندما يتم إغلاق فجوة في الظهارة بطريقة تشبه السحاب، وهو ما يتطلب تنسيقاً بين العديد من أنواع الخلايا. وغالباً ما يُستخدم الإغلاق الظهري أثناء النمو كنموذج لدراسة التئام الجروح، وهو ما قد يكون له تطبيقات سريرية.

أما التطبيق الثالث المستخدم لفهم العمليات أثناء نمو Drosophila فهو تداخل الحمض النووي الريبوزي (RNA interference)، الذي يعمل على تثبيط نشاط جينات فردية ويمكن استخدامه في فحوصات وراثية عكسية واسعة النطاق. على سبيل المثال، يمكن حقن الـ dsRNA في الأجنة، ومن ثم تقييم تأثير تثبيط الجين على نمو الأعضاء. وفي هذه الحالة، كشف تداخل الحمض النووي الريبوزي عن جين مهم لعملية الاندماج أثناء تطور القصبات الهوائية.

لقد شاهدتم للتو مقدمة JoVE حول تكاثر ونمو Drosophila melanogaster. استعرضنا في هذا الفيديو: دورة حياة Drosophila، بما في ذلك تفاصيل كل مرحلة من مراحل النمو. كما تعلمنا كيفية استخدام القدرات التكاثرية لـ Drosophila لدراسة الوراثة وإجراء التزاوج. وأخيراً، تعلمنا كيف يفيد نمو وتكاثر Drosophila في فهم العمليات المعقدة مثل السلوك، والتئام الجروح، ونمو الأعضاء.