JoVE Science Education

Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

Introduction à Drosophila melanogaster

JoVE Science Education
Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

This content is Free Access.

JoVE Science Education Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans

An Introduction to Drosophila melanogaster

3.1: An Introduction to Saccharomyces cerevisiae

3.13: Yeast Transformation and Cloning

180,252 Views

•

09:16 min

•

April 30, 2023

Overview

Drosophila melanogaster, aussi connu comme la mouche des fruits, est un puissant organisme modèle largement utilisé dans la recherche biologique qui a apporté, au cours du siècle dernier, d’importantes contributions à la communauté scientifique. Tout d’abord, cette vidéo présente la mouche des fruits comme un organisme, incluant ses caractéristiques physiques, son cycle de vie, son environnement et alimentation. Ensuite, les raisons pour lesquelles les mouches des fruits font un excellent organisme modèle sont discutées. Par exemple, les mouches des fruits sont peu coûteuses à maintenir en laboratoire, ont une génétique simplifié et une courte période de production permettant des expériences rapides avec un nombre élevé d’échantillons. Ensuite, les découvertes clés et les chercheurs sur la drosophile importants, tels que Thomas Hunt Morgan sont profilés. Enfin, les applications de la recherche sur la drosophile, allant de la génétique du développement aux maladies cardiaques et neurologiques, sont fournies. Cette vidéo sert d’aperçu de l’organisme modèle très important et influent qu’est Drosophila melanogaster.

Procedure

Drosophila melanogaster, également appelée mouche des fruits, est un petit insecte qui est couramment trouve près de fruits murissants. La drosophile est un organisme model largement rependu pour la recherche scientifique et l’étude de cet organisme a approfondi nos connaissances de la génétique des eucaryotes et des maladies humaines.

Pour commence, familiarisons nous avec la drosophile comme un organisme. La drosophile possède trois segments corporels – la tête, le thorax, et l’abdomen ainsi qu’une seule paire d’ailes et trois paires de pattes. Elles mesurent entre 2 et 4 millimètres de long et pèsent environ 1 milligramme. Les femelles sont typiquement plus grandes que les males. Les mouches sauvages ont de grands yeux rouges, et un corps de couleur jaune ou brun pale avec des anneaux transversaux noirs sur l’abdomen.

Le cycle de vie de la drosophile dure environ deux semaines et inclus 4 étapes majeures : l’embryon, la larve, la pupe et l’adulte. La longévité de la drosophile est entre 60 et 80 jours, cependant la durée de vie peut être affectée par des facteurs comme la température ou le surpeuplement.

Les mouche des fruits sont présentes sur chaque continent excepte en antarctique. Plus souvent elles se retrouvent en climat tropical, mais elles peuvent également s’adapter aux climats plus froids en aménageant a l’intérieur de nos édifices.

La drosophile peut survivre des températures allant de douze a trente-cinq dégrée Celsius. Dans le laboratoire, nous entreposons les mouches dans des incubateurs ajusté à vingt-cinq dégrée Celsius et soixante pourcent d’humidité pour survie et fertilité optimales.

L’alimentation typique pour la drosophile consiste en des microorganismes, assurément des levures qui habitent les fruits et légumes murissants et pourrissants. Cependant dans le laboratoire, nous utilisons une nourriture compose de semoule de mais, de mélasse, d’agar, de sucre, de levures et d’eau.

Maintenant que nous en savons d’avantage sur la drosophile, explorons pourquoi les chercheurs ont décidé d’étudié cet organisme. Premièrement, la petite taille des mouches les rendent très facile a manipulé et anesthésié.

Travailler avec les mouches dans le laboratoire est également désirable parce qu’elles nécessitent un équipement, une maintenance et un élevage peu couteux.

Grace à leur courte durée de vie, il faut environ 2 semaines pour établir l’accouplement et générer une nouvelle génération adulte. Les femelles sont très fertiles et peuvent pondre des centaines d’œufs par jour. Par conséquent, les expériences avec les mouches peuvent être effectuées rapidement et avec un très grand nombre d’échantillons.

Les drosophiles sont faciles à étudier, parce que leur génétique est simple par comparaison aux mammifères. Le génome de la drosophile est composé de seulement quatre chromosomes avec approximativement 14,000 gènes. Les mouches ont également une redondance génétique limitée. La redondance génétique signifie que plusieurs gènes sont responsables d’une certaine fonction biologique. Par exemple, les souris peuvent avoir trois copies d’un gène provoquant un phénotype particulier. Quand un gène est muté, les autres peuvent compenser assurant l’absence de changement développemental ou physiologique observables. Ainsi, l’expérience de mutagenèse chez la souris est moins informative. En revanche, les mouches peuvent n’avoir qu’une seule version d’un gène, de sorte que lorsque ce gène est muté, il provoque un changement dans le phénotype, donnant un aperçu de la fonction de ce gène particulier.

De plus, plusieurs méthodes ont été développées pour induire des mutations génétiques, y compris les rayons X, ou par irradiation UV et la recombinaison homologue. Enfin, de nombreuses années de recherche ont donné une communauté amicale des chercheurs de la drosophile, ce qui rend facile d’accès le grand nombre de lignées mutantes et les outils génétiques.

Finalement, les mouches sont un excellent organisme modèle en raison de leurs similarités génétiques frappantes avec les humains et les autres mammifères. Environ 50% des gènes de la mouche sont homologues de gènes de mammifères, ce qui signifie que les gènes proviennent d’un ancêtre commun. En outre, 75% des gènes liés à des maladies humaines ont des orthologues, ou des gènes avec des fonctions similaires, chez la mouche.

Alors, maintenant que nous avons entendu un peu sur savons ce qui fait de la drosophile un model tellement formidable pour l’étude expérimentale, nous allons survoler de superbes recherches faites sur les mouches. Au début du 20ieme siècle, les mouches ont premièrement émergé comme un organisme modèle dans le laboratoire de Thomas Hunt Morgan. En 1910, Morgan a découvert une mouche aux yeux blancs parmi une collection de mouches aux yeux rouges. En utilisant la microscopie, il a observé les profils de bandes de chromosomes, et vu que le même patron était toujours observée chez les mouches aux yeux blancs. Grâce à ces expériences, il a créé la théorie chromosomique de l’hérédité qui lui a valu le prix Nobel en 1933.

En 1927, l’un des élèves de Thomas Hunt Morgan, Hermann Muller, a découvert que les rayons X peuvent induire des mutations génétiques. Pour sa découverte, Muller a remporté le prix Nobel en 1946.

Pendant les années 70 et 80, Ed Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard et Eric Wieschaus ont testé des mutants pour identifier un certain nombre de gènes essentiels durant le développement. Ils ont identifié certains des gènes qui établissent les axes dorso-ventral et antéro-postérieur de l’embryon, ainsi que les gènes impliqués dans la segmentation, qui spécifient le plan corporel. Ils ont gagné le prix Nobel en 1995.

Dans les années 90, Jules Hoffmann a utilisé la drosophile pour la recherche sur l’immunité innée, la première ligne de défense contre les pathogènes, comme les bactéries. Il a découvert les récepteurs Toll et (ont) a démontré leur importance pour la détection et la défense contre les pathogènes. Voici des hémocytes embryonnaires, des cellules capables de reconnaître et de répondre aux pathogènes dans l’embryon de drosophile. Hoffman a remporté le prix Nobel en 2011 pour ses travaux sur le système immunitaire inné de la drosophile, et il a partagé le prix avec Bruce Beutler et Ralph Steinman pour leurs travaux sur l’immunité innée chez les mammifères.

Les travaux faits sur la drosophile ont de nombreuses applications importantes, allant de la génétique à la maladie humaine. Par exemple, la génétique du développement est souvent homologue, donc l’identification et la caractérisation des gènes qui régulent le développement des mouches ont été importantes pour la compréhension du développement humain. Le gène de drosophile “sans yeux” est essentiel pour le développement de la mouche. Les homologues de “sans yeux” chez les mammifères ont plusieurs fonctions similaires, ainsi comprendre le développement de l’œil chez la drosophile pourrait avoir des implications dans la compréhension du développement de l’œil humain et la maladie.

La recherche sur la drosophile peut également avoir des implications dans la compréhension des maladies neurologiques humaines. Par exemple, l’expression d’un gène humain impliqué dans la maladie de Parkinson chez la mouche, conduit à une perte de neurones dans le temps et l’accumulation d’agrégats de protéines aboutissant à une diminution de la capacité locomotrice.

La recherche sur la mouche a conduit à des connaissances importantes du développement et de la fonction du cœur de l’homme. De nombreux gènes associés à la fonction cardiaque sont conservés entre les mouches et les humains, et, semblables aux humains, l’entraînement physique peut grandement améliorer les performances des tâches physiques.

Vous venez juste de regarder l’introduction à Drosophila melanogaster présenté par JoVE. Dans cette vidéo, nous avons examiné les caractéristiques de la drosophile, les raisons pour lesquelles elle est un puissant organisme modèle, ainsi que les découvertes et les applications importantes. Même si elles peuvent sembler très différentes des humains, la recherche sur la drosophile a été une importante source de compréhension du développement humain et de la maladie. Seul le temps dira ce que l’avenir de la recherche sur la drosophile nous réserve.

Transcript

Drosophila melanogaster, also known as the “fruit fly,” is a small insect that is commonly found near ripening fruit. Drosophila is a widely used model organism for scientific research and the study of this organism has provided insight into eukaryotic genetics and human disease.

To begin, let’s get to know Drosophila as an organism. Drosophila have three main body segments–the head, thorax, and abdomen–as well as a single pair of wings, and three pairs of legs. They are between 2-4 mm long and weigh about 1 mg. Females are typically larger than males. Wild-type fruit flies have large red eyes, and pale yellow or light brown bodies with black stripes on the abdomen.

The Drosophila life cycle is about 2 weeks long, and is comprised of 4 major stages: the embryo, larva, pupa, and adult. The average lifespan of Drosophila is between 60-80 days, however lifespan can be affected by factors such as temperature or overcrowding.

Fruit flies are present on every continent except Antarctica. More often they are found in tropical climates, but they can adapt to colder climates by moving indoors.

Drosophila can survive in a range of 12-35 °C. In the lab, we store flies in incubators set to 25 °C and 60% humidity for ideal survival and fertility.

The typical diet for Drosophila are the microorganisms, such as yeast, that inhabit very ripe and rotting fruits and vegetables. However in the lab, we use food composed of cornmeal, molasses, agar, sugar, yeast, and water.

Now that we’ve learned a bit about Drosophila the organism, let’s discuss why researchers have decided to study it. First, the small size of the fly makes them easy to both handle and anesthetize.

Flies are also appealing to work with because they require inexpensive equipment to maintain and house in the laboratory.

Thanks to their short life cycle, it takes approximately 2 weeks from when mating is set up to generate new adult progeny. Females are extremely fertile and can lay hundreds of eggs per day. Therefore, experiments with flies can be conducted quickly and with very high sample numbers.

Drosophila are easy to study, because their genetics are simple in comparison to mammals. The Drosophila genome is comprised of only four chromosomes with approximately 14,000 genes. Flies also have limited genetic redundancy. Genetic redundancy means that more than one gene is responsible for a certain biological function. For example, mice may have three copies of a gene causing a particular phenotype. When one gene is mutated, the others can compensate leading to no observable developmental or physiological change. Thus, the mutagenesis experiment in mice is less informative. In contrast, flies may only have one version of a gene, so when that gene is mutated it causes a change in phenotype, giving insight into that particular gene’s function.

Furthermore, several methods have been developed to induce genetic mutations, including X-rays, or UV irradiation, and homologous recombination. Lastly, many years of research yielded a friendly community of Drosophila scientists, which makes it easy to access the vast number of mutant lines and genetic tools.

Finally, flies are an excellent model organism because of their striking genetic similarities to humans and other mammals. Approximately 50% of fly genes are homologous to mammalian genes, meaning the gene originates from a common ancestor. Furthermore, 75% of human disease-related genes have orthologs, or genes with similar functions, in the fly.

So now that we’ve heard a bit about what makes Drosophila so great for experimental study, let’s check out some of the great research that has been done on flies. In the early 20th century, flies first emerged as a model organism in the lab of Thomas Hunt Morgan. In 1910, Morgan discovered a white-eyed fly among a collection of red-eyed flies. Using microscopy, he observed the banding patterns of chromosomes, and saw that the same pattern was always observed in white-eyed flies. With these experiments he established the chromosomal theory of inheritance for which he won the Nobel Prize in 1933.

In 1927, one of Thomas Hunt Morgan’s students, Hermann Muller, discovered x-rays can induce genetic mutations. Muller won the Nobel Prize in 1946 for his discovery.

During the ’70s and ’80s, Ed Lewis, Christiane Nusslein-Volhard, and Eric Wieschaus performed screens to identify a number of genes that are essential during development. They identified some of the genes that establish the dorsal-ventral and anterior-posterior axes of the embryo, as well as the genes involved in segmentation, which specify the body plan. They won the Nobel Prize in 1995.

In the 1990’s, Jules Hoffmann used Drosophila for research on innate immunity, the first line of defense against pathogens, like bacteria. He discovered Toll receptors and demonstrated their importance for sensing and defending against pathogens. Here are embryonic hemocytes, cells that can recognize and respond to pathogens in the Drosophila embryo. Hoffman won the Nobel Prize in 2011 for his work on the Drosophila innate immune system, and shared the prize with Bruce Beutler and Ralph Steinman for their work on innate immunity in mammals.

Work in Drosophila has many important applications, ranging from genetics to human disease. For example, the genetics of development are often homologous, so the identification and characterization of genes that regulate development in flies has been important for understanding human development. The Drosophila “eyeless” gene is essential for development in the fly. The mammalian homologs of eyeless have many functional similarities, thus understanding Drosophila eye development could have implications in understanding human eye development and disease.

Drosophila research can also have implications in understanding human neurological diseases. For example, expression of a human gene involved in Parkinson’s disease in the fly, leads to a loss of neurons over time and an accumulation of protein aggregates culminating in decreased locomotor ability.

Research in the fly has lead to important knowledge of human heart development and function. Many genes associated with cardiac function are conserved between flies and humans, and, similar to humans, exercise training can greatly improve performance with physical tasks.

You’ve just watched JoVE’s introduction to Drosophila melanogaster. In this video we reviewed the characteristics of Drosophila, the reasons why it makes such a powerful model organism, as well as important discoveries and applications. Although they may seem very different from humans, Drosophila research has been an important source of understanding human development and disease. Only time will tell what the future of Drosophila research holds.

Tags

Drosophila Melanogaster Fruit Fly Model Organism Eukaryotic Genetics Human Disease Body Segments Wings Legs Size Appearance Life Cycle Stages Lifespan Distribution Climate Adaptation Survival Range Lab Conditions Diet