Développement et reproduction de la drosophile

Les Drosophila melanogaster sont couramment utilisées comme organisme modèle dans l’étude du développement et de la reproduction. La drosophile croit suivant plusieurs phases de développement lors d'un procédé appelé le cycle de vie et chaque phase fournit une plateforme unique pour la recherche en développement. Dans cette vidéo, nous allons présenter les bases du développement et de la reproduction chez la Drosophile, notamment la façon de mettre en place un croisement génétique, et nous allons décrire comment cette recherche peut être appliquée à la compréhension de procédés allant de la cicatrisation au comportement.

Premièrement, discutons du cycle de vie de la Drosophile. La Drosophile évolue suivant 4 principales phases de développement : embryonnaire, larvaire, de pupe et adulte.

L’embryon est un œuf fécondé d’environ 0.5 mm de long et de forme ovale. Immédiatement après la fécondation, l’embryon se divise rapidement par mitose sans croître. Le noyau zygotique subit une série de neuf divisions cellulaires n'incluant pas la cytocinèse, et forme une cellule multinucléée appelée le blastoderme syncytial. Puisque tous les noyaux du blastoderme syncytial partagent un cytoplasme commun, les protéines peuvent diffuser librement, formant des gradients morphogènes importants pour établir l’organisation corporelle et la structure des différents organes et tissus chez la mouche. Après la 10ème division nucléaire, les noyaux migrent à la périphérie du blastoderme syncytial. Suite à la 13ème série de division nucléaire qui se déroule environ 3 heures après la fécondation, les 6000 noyaux du blastoderme syncytial se cellularisent pour former le blastoderme cellulaire. Le blastoderme cellulaire contient une monocouche de cellules et se transforme en une structure complexe multi-feuillets lors d'un processus connu sous le nom de « gastrulation ». Au cours de la gastrulation, les changements de forme des cellules entrainent des invaginations de la monocouche, aboutissant à la création des couches germinales de l'endoderme, du mésoderme et de l’ectoderme. L’endoderme génère l’intestin, le mésoderme engendre les muscles et le cœur et l’ectoderme donne naissance à l’épiderme et au système nerveux central. Après 24 heures, les embryons éclosent sous forme de larve.

Les larves sont des corps blancs ressemblant à des vers à corps strié. Elles rampent dans une nourriture humide en mangeant constamment, ce qui conduit à leur croissance rapide. Les larves se développent suivant 3 stades : le premier stade larvaire dure 24 heures, le second 24 heures et le 3ème 48 heures. La mue se produit entre chaque étape. Une fois prête pour la transformation en pupe, la larve au 3ème stade larvaire quitte sa source de nourriture et se fixe à une surface solide telle que le bord de ce flacon.

Les pupes sont immobiles. Elles sont initialement molles et blanches mais finissent par durcir et prendre une couleur marron. Pendant une période de 4 jours, les tissus larvaires se dégénèrent et les tissus adultes se forment. L’exuviation marque la fin de l’étape de pupe et l’émergence de mouches adultes.

8 heures après l’exuviation, les mouches adultes deviennent sexuellement réceptives et commencent à s’accoupler, recommençant un nouveau cycle de vie.

Le cycle de vie complet dure environ 10 jours à 25 °C, mais est affecté par la température. Par exemple, le cycle de vie est d’environ 19 jours à 18 °C et de seulement 7 jours à 29 °C.

Au cours du développement, la minutieuse régulation génétique de différentiation établit l’organisation corporelle et identifie les différents tissus et organes. Il est important de souligner que la mise en place de l’axe antéro-postérieur définit l’orientation tête-queue de l’organisme et est régulé par plusieurs groupes de gènes.

Tout d'abord, les gènes à effet maternel sont fournis à l'ovocyte et hérités de la femelle. Dans le blastoderme syncytial ils sont importants pour initier la mise en place des régions antérieure et postérieure de l'embryon. Plus précisément, le gène bicoïd définit la région antérieure de l'embryon qui comprend la tête et le thorax, alors que le gène nanos définit la région supérieure qui comprend l'abdomen.

Deuxièmement, les gènes de segmentation, qui sont régis par les gènes à effet maternels, comprennent les gènes gap et les gènes pair rule. Les gènes gap établissent un plan du corps segmenté le long de l’axe antéro-postérieure en subdivisant largement l’embryon. Les gènes pair rule sont exprimés dans un motif strié perpendiculaire à l’axe antéro-postérieur, sous-divisant l’embryon en segments plus petits. Ensuite, les gènes de polarité segmentaire tels que le gène engrailed commencent à établir le sort des cellules dans chaque segment.

Enfin, les gènes homéotiques sont chargés de définir certaines structures anatomiques, telles que les ailes et les pattes. Détail intéressant, l’ordre des gènes sur le chromosome reflète la façon dont ils sont exprimés le long de l’axe antéro-postérieur.

Les drosophiles sont des organismes extrêmement fertiles pouvant produire des milliers de descendants dans une vie. Les femelles pondent des centaines d’œufs par jour et continuent à féconder les œufs bien après l’accouplement.

De plus, les drosophiles sont des organismes dimorphiques, ce qui signifie que les femelles et les mâles ont des phénotypes distincts. Plus précisément, les mâles sont plus petits que les femelles et ont des organes génitaux externes de couleur sombres ainsi que plus de pigment noirs sur le bas de l’abdomen. Les mâles ont également des brosses de soie sur leurs pattes avant appelées « peignes sexuels » favorisant la rétention de la femelle pendant l’accouplement. Ces différences de phénotypes rendent la distinction male-femelle très facile, ce qui est particulièrement utile lors de la mise en place de croisements génétiques.

La mise en place d’un croisement génétique de drosophile est une technique utile pour l'étude de la génétique. Alors, commençons!

La première étape de la mise en place du croisement est la sélection de femelles vierges du génotype désiré, de façon à contrôler exactement les mâles avec lesquels elles s'accoupleront. Les drosophiles sont incapables de s’accoupler durant les 8 premières heures après l’exuviation, donc la collecte de très jeunes adultes garantie leur virginité. Pour récupérer les femelles à la sortie de l'exuviation, videz le flacon dans la morgue de façon à éliminer tout adulte. Toutes les 3-4 heures, vérifiez l’émergence de nouveaux adultes dans le flacon, et stockez les femelles dans un nouveau flacon totalement dépourvu de mâle jusqu’à leur utilisation. Les femelles vierges sont identifiables à leur corps de couleur très claire et à un point noir sur leur abdomen appelé le méconium.

Lorsque vous êtes prêt à commencer le croisement, associez 4 à 6 mâles avec 4 à 6 femelles vierges portant vos génotypes désirés dans un flacon d'alimentation daté, et stockez le flacon à 25 °C et 60% d’humidité. Après 3-4 jours, des larves seront présentes et les parents devront être transférés dans un nouveau flacon afin d’éviter aux parents de s’accoupler à leur descendance. Après environ 10 jours, les nouveaux descendants émergeront et leur phénotype pourra être examiné.

Un outil utile aux chercheurs spécialisés en mouche drosophile est le chromosome balanceur. Les chromosomes balanceurs évitent la recombinaison génétique et contiennent des marqueurs génétiques tels que des ailes frisées, qui sont utiles à la détermination du génotype exact d'une mouche. Si vous souhaitez des mouches hétérozygotes pour deux mutations différentes, vous pouvez croiser un échantillon porteur de la mutation 1 sur le chromosome balanceur CyO et un deuxième échantillon porteur de la mutation 2 également sur le chromosome balanceur CyO. Tous les descendants naissant sans ailes frisées sont hétérozygotes pour les deux mutations.

Un autre outil couramment utilisé en recherche sur la drosophile est le système UAS-GAL4, qui permet aux chercheurs d’exprimer ou supprimer un gène dans un tissu particulier. Le GAL4 est un facteur de transcription de la levure qui est activé par un promoteur spécifique des tissus. L’UAS (Upstream Activation Sequence en anglais) est la séquence d’activation en amont qui contrôle l’expression du gène d’intérêt. Lors du croisement d'une mouche ayant un transgène spécifique aux tissus de type GAL4 et d'une mouche porteuse du transgène UAS avec votre gène d’intérêt directement en aval, la protéine GAL4 se fixe à l’UAS et entraine l’expression du gène désiré. Par exemple, l'UAS-GFP croisée à une lignée aptère-GAL4 spécifique des disques des ailes dans la pupe - exprime la GFP spécifiquement dans ces cellules.

Il existe de nombreuses applications de l’étude du développement et de la reproduction de la drosophile. L'une d'entre elles est l’analyse du comportement, plus précisément celui de la parade sexuelle. Pendant la parade, le mâle s’oriente vers la femelle et la suit tout en la tapotant avec ses pattes avant. Si la femelle est réceptive, elle permet au mâle de la monter. Le mâle courbe son abdomen et transfert son fluide séminal à la femelle, un processus appelé copulation. Les analyses de ces comportements de parade dans divers mutants donnent un aperçu du déterminisme génétique du comportement.

Le développement de la drosophile est un processus extrêmement dynamique qui comprend de nombreux mouvements cellulaires et changements morphologiques qui peuvent être étudiés par imagerie en temps réel. Par exemple, la fermeture dorsale au cours de l’embryogénèse a lieu lorsqu'un trou dans l’épithélium se ferme à la façon d'une fermeture éclair, ce qui implique la coordination de nombreux types de cellules. La fermeture dorsale au cours du développement est souvent utilisée comme modèle pour l’étude des phénomènes de cicatrisation pouvant avoir des conséquences pratiques en clinique.

Une 3ème application utilisée pour comprendre les processus impliqués lors du développement de la drosophile est l’interférence par ARN, qui bloque l’activité de gènes individuels et peut être utilisé pour le criblage génétique inverse à grande échelle. Par exemple, un ARN double brin peut être injecté dans des embryons et l’impact de l’inhibition du gène sur le développement de l’organe peut être évalué. Ici, l’interférence par ARN révèle un gène important pour la fusion lors du développement de la trachée.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE sur la reproduction et le développement chez la Drosophila melanogaster. Dans cette vidéo, nous avons présenté le cycle de vie de la drosophile, notamment les détails sur chaque étape de développement. Nous avons aussi appris à utiliser les capacités de reproduction de la drosophile pour l'étude de la génétique, et à mettre en place un croisement. Pour finir, nous avons appris comment le développement et la reproduction chez la drosophile sont utiles à la compréhension de procédés complexes tels que le comportement, la cicatrisation et le développement des organes. Merci de votre attention!