Drosophila melanogaster, noto anche come il moscerino della frutta, è un potente organismo modello ampiamente utilizzato nella ricerca biologica che ha dato contributi significativi alla più grande comunità scientifica nel corso dell’ultimo secolo. Innanzitutto, questo video introduce il moscerino della frutta come organismo, comprese le sue caratteristiche fisiche, il ciclo di vita, l’ambiente e la dieta. Successivamente, vengono discussi i motivi per cui i moscerini della frutta sono un eccellente organismo modello. Ad esempio, i moscerini della frutta sono poco costosi da mantenere in laboratorio, hanno una genetica semplificata e tempi di generazione brevi consentono esperimenti rapidi con un numero elevato di campioni. Quindi, vengono profilate le scoperte chiave e importanti ricercatori della Drosophila, come Thomas Hunt Morgan. Infine, vengono fornite applicazioni della ricerca sulla Drosophila, che vanno dalla genetica allo sviluppo cardiaco e neurologico e alle malattie. Questo video serve come panoramica dell’organismo modello altamente importante e influente che è Drosophila melanogaster.
Drosophila melanogaster, noto anche come il “moscerino della frutta”, è un piccolo insetto che si trova comunemente vicino alla frutta matura. Drosophila è un organismo modello ampiamente utilizzato per la ricerca scientifica e lo studio di questo organismo ha fornito informazioni sulla genetica eucariotica e sulle malattie umane.
Per iniziare, conosciamo Drosophila come organismo. Drosophila hanno tre segmenti principali del corpo – la testa, il torace e l’addome – così come un singolo paio di ali e tre paia di zampe. Sono lunghi tra 2-4 mm e pesano circa 1 mg. Le femmine sono in genere più grandi dei maschi. I moscerini della frutta selvatici hanno grandi occhi rossi e corpi giallo pallido o marrone chiaro con strisce nere sull’addome.
Il ciclo di vita della Drosophila dura circa 2 settimane ed è composto da 4 fasi principali: l’embrione, la larva, la pupa e l’adulto. La durata media della vita di Drosophila è compresa tra 60-80 giorni, tuttavia la durata della vita può essere influenzata da fattori come la temperatura o il sovraffollamento.
I moscerini della frutta sono presenti in tutti i continenti tranne l’Antartide. Più spesso si trovano nei climi tropicali, ma possono adattarsi ai climi più freddi spostandosi all’interno.
La drosophila può sopravvivere in un intervallo di 12-35 °C. In laboratorio, conserviamo le mosche in incubatori impostati a 25 ° C e 60% di umidità per una sopravvivenza e una fertilità ideali.
La dieta tipica per La Drosophila sono i microrganismi, come il lievito, che abitano frutta e verdura molto matura e in decomposizione. Tuttavia, in laboratorio, usiamo cibo composto da farina di mais, melassa, agar, zucchero, lievito e acqua.
Ora che abbiamo imparato un po ‘di Drosophila l’organismo, discutiamo perché i ricercatori hanno deciso di studiarlo. Innanzitutto, le piccole dimensioni della mosca li rendono facili da maneggiare e anestetizzare.
Le mosche sono anche attraenti con cui lavorare perché richiedono attrezzature economiche da mantenere e ospitare in laboratorio.
Grazie al loro breve ciclo di vita, ci vogliono circa 2 settimane da quando l’accoppiamento è impostato per generare nuova progenie adulta. Le femmine sono estremamente fertili e possono deire centinaia di uova al giorno. Pertanto, gli esperimenti con le mosche possono essere condotti rapidamente e con numeri di campione molto elevati.
I Drosophila sono facili da studiare, perché la loro genetica è semplice rispetto ai mammiferi. Il genoma di Drosophila è composto da soli quattro cromosomi con circa 14.000 geni. Le mosche hanno anche una ridondanza genetica limitata. La ridondanza genetica significa che più di un gene è responsabile di una certa funzione biologica. Ad esempio, i topi possono avere tre copie di un gene che causa un particolare fenotipo. Quando un gene è mutato, gli altri possono compensare portando a nessun cambiamento osservabile dello sviluppo o fisiologico. Pertanto, l’esperimento di mutagenesi nei topi è meno informativo. Al contrario, le mosche possono avere solo una versione di un gene, quindi quando quel gene è mutato provoca un cambiamento nel fenotipo, dando un’idea della funzione di quel particolare gene.
Inoltre, sono stati sviluppati diversi metodi per indurre mutazioni genetiche, tra cui i raggi X, o l’irradiazione UV, e la ricombinazione omologa. Infine, molti anni di ricerca hanno prodotto una comunità amichevole di scienziati Drosophila, che rende facile l’accesso al vasto numero di linee mutanti e strumenti genetici.
Infine, le mosche sono un eccellente organismo modello a causa delle loro sorprendenti somiglianze genetiche con gli esseri umani e altri mammiferi. Circa il 50% dei geni delle mosche sono omologhi ai geni dei mammiferi, il che significa che il gene proviene da un antenato comune. Inoltre, il 75% dei geni umani correlati alla malattia hanno ortologhi, o geni con funzioni simili, nella mosca.
Quindi, ora che abbiamo sentito un po ‘di ciò che rende Drosophila così grande per lo studio sperimentale, diamo un’occhiata ad alcune delle grandi ricerche che sono state fatte sulle mosche. All’inizio del 20 ° secolo, le mosche emersero per la prima volta come organismo modello nel laboratorio di Thomas Hunt Morgan. Nel 1910, Morgan scoprì una mosca dagli occhi bianchi tra una collezione di mosche dagli occhi rossi. Usando la microscopia, osservò i modelli di banding dei cromosomi e vide che lo stesso modello era sempre osservato nelle mosche dagli occhi bianchi. Con questi esperimenti stabilì la teoria cromosomica dell’ereditarietà per la quale vinse il Premio Nobel nel 1933.
Nel 1927, uno degli studenti di Thomas Hunt Morgan, Hermann Muller, scoprì che i raggi X possono indurre mutazioni genetiche. Muller vinse il premio Nobel nel 1946 per la sua scoperta.
Durante gli anni ’70 e ’80, Ed Lewis, Christiane Nusslein-Volhard ed Eric Wieschaus hanno eseguito screening per identificare una serie di geni essenziali durante lo sviluppo. Hanno identificato alcuni dei geni che stabiliscono gli assi dorsale-ventrale e anteriore-posteriore dell’embrione, così come i geni coinvolti nella segmentazione, che specificano il piano corporeo. Hanno vinto il premio Nobel nel 1995.
Nel 1990, Jules Hoffmann ha usato Drosophila per la ricerca sull’immunità innata, la prima linea di difesa contro gli agenti patogeni, come i batteri. Scoprì i recettori Toll e dimostrò la loro importanza per il rilevamento e la difesa dagli agenti patogeni. Qui ci sono emociti embrionali, cellule in grado di riconoscere e rispondere agli agenti patogeni nell’embrione di Drosophila. Hoffman ha vinto il premio Nobel nel 2011 per il suo lavoro sul sistema immunitario innato drosophila e ha condiviso il premio con Bruce Beutler e Ralph Steinman per il loro lavoro sull’immunità innata nei mammiferi.
Il lavoro in Drosophila ha molte applicazioni importanti, che vanno dalla genetica alle malattie umane. Ad esempio, la genetica dello sviluppo è spesso omologa, quindi l’identificazione e la caratterizzazione dei geni che regolano lo sviluppo nelle mosche è stata importante per comprendere lo sviluppo umano. Il gene Drosophila “senza occhi” è essenziale per lo sviluppo della mosca. Gli omologhi dei mammiferi di eyeless hanno molte somiglianze funzionali, quindi la comprensione dello sviluppo dell’occhio di Drosophila potrebbe avere implicazioni nella comprensione dello sviluppo e della malattia dell’occhio umano.
La ricerca sulla drosophila può anche avere implicazioni nella comprensione delle malattie neurologiche umane. Ad esempio, l’espressione di un gene umano coinvolto nella malattia di Parkinson nella mosca, porta a una perdita di neuroni nel tempo e ad un accumulo di aggregati proteici che culmina in una diminuzione della capacità locomotoria.
La ricerca nella mosca ha portato a importanti conoscenze sullo sviluppo e la funzione del cuore umano. Molti geni associati alla funzione cardiaca sono conservati tra le mosche e gli esseri umani e, come gli esseri umani, l’allenamento fisico può migliorare notevolmente le prestazioni con i compiti fisici.
Hai appena visto l’introduzione di JoVE a Drosophila melanogaster. In questo video abbiamo esaminato le caratteristiche di Drosophila, i motivi per cui rende un organismo modello così potente, nonché importanti scoperte e applicazioni. Sebbene possano sembrare molto diversi dagli esseri umani, la ricerca sulla Drosophila è stata un’importante fonte di comprensione dello sviluppo umano e delle malattie. Solo il tempo dirà cosa riserva il futuro della ricerca sulla Drosophila.
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.
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