3.8: ショウジョウバエの発生と生殖

ショウジョウバエ・メラノガスターは、研究開発および繁殖におけるモデル生物として広く使用されています。ショウジョウバエは、ライフサイクルと呼ばれるプロセスでいくつかの発達段階を経て進行し、各段階は発達研究のための独自のプラットフォームを提供します。このビデオでは、遺伝的交配の設定方法など、ショウジョウバエの発生と繁殖の基本を紹介し、この研究を創傷治癒から行動までのプロセスを理解するためにどのように適用できるかについて説明します。

まず、ショウジョウバエのライフサイクルについて説明しましょう。 ショウジョウバエは、胚、幼虫、蛹、成虫の4つの主要な発生段階を経て進行します。

胚は長さ約0.5mmの楕円形の受精卵です。 受精直後に、胚は成長せずに急速な有糸分裂を経ます。接合子核は9ラウンドの核分裂を受けますが、細胞質分裂は起こらず、合胞体胚盤葉と呼ばれる多核細胞を形成します。 合胞体胚盤葉のすべての核が共通の細胞質を共有しているため、タンパク質は自由に拡散し、ハエの個々の臓器や組織のボディプランとパターン形成を確立するために重要なモルフォゲン勾配を形成することができます。 10回目の核分裂の後、核は合胞体胚盤葉の周辺に移動します。受精の約3時間後に起こる核分裂の13ラウンドに続いて、合胞体胚盤葉の6000個の核が個別化され、細胞胚盤葉を形成します。細胞胚盤葉は、細胞の単層を含み、原腸陥入として知られるプロセスで複雑な多層構造に変換されます。原腸陥入中、細胞の形状変化は単層の陥入を促進し、最終的に内胚葉、中胚葉、および外胚葉の胚葉を作成します。内胚葉は腸を、中胚葉は筋肉と心臓を、外胚葉は表皮と中枢神経系を生じさせます。24時間後、胚は幼虫として孵化します。

幼虫は白く、虫のような体節があります。彼らは常にウェットフードで這い回り、食事をし、急速な成長につながります。幼虫は、最初の幼虫が24時間、2番目の幼虫がさらに24時間、3番目の幼虫が48時間の3つの段階を経て進行します。 脱皮は各段階で発生します。蛹化の準備ができたら、3番目の幼虫は食物源を離れ、バイアルの側面などの固い表面に付着します。

蛹は動かず、最初は柔らかくて白いですが、最終的には固まって茶色に変わります。 4日間で幼虫組織は変性し、成体組織が形成されます。 脱落は蛹の段階の終わりを示し、ハエは成虫として出現します。

脱落から8時間後、成体は性的に受容的になり、交尾を始め、再びライフサイクルが始まります。

完全なライフサイクルは25歳で約10日かかりますか?Cですが、温度の影響を受ける可能性があります。たとえば、18歳で?C:ライフサイクルは約19日で、29日ですか?C、ライフサイクルはわずか7日です。

発生全体を通じて、パターン形成の慎重な遺伝的調節により、ボディプランが確立され、個々の組織と器官が特定されます。 重要なことに、前後軸の確立は、生物の頭から尾への向きを定義し、いくつかの遺伝子グループによって調節されています。

まず、母性効果遺伝子が卵子に供給され、女性から受け継がれます。 それらは、胚の前方および後方を最初に確立するために合胞体胚盤葉において重要です。特に、バイコイド遺伝子は頭部と胸部を含む胚の前部を定義し、ナノス遺伝子は腹部を含む後部を定義します。

第二に、母性効果遺伝子によって制御されるセグメンテーション遺伝子には、ギャップ遺伝子とペアルール遺伝子が含まれます。 ギャップ遺伝子は、胚を広く細分化することにより、前後軸に沿ってセグメント化されたボディプランを確立します。ペアルール遺伝子は、前後軸に垂直な縞模様で発現され、さらに胚をより小さなセグメントに分割します。次に、エングレイドなどのセグメント極性遺伝子が、各セグメント内で細胞運命を確立し始めます。

最後に、ホメオティック遺伝子は、翼や脚などの特定の解剖学的構造を定義する役割を担っています。興味深いことに、染色体上の遺伝子の順序は、それらが前後軸に沿ってどのように発現されるかを反映しています。

ショウジョウバエは非常に肥沃な生物であり、一生のうちに何千もの子孫を生み出すことができます。 メスは1日に数百個の卵を産み、交尾が起こった後も卵子を受精し続けます。

ショウジョウバエは性的に二形性生物でもあり、雌は雄とは表現型的に異なります。 特に、男性は女性よりも小さく、外性器の色が濃く、下腹部に黒い色素が多く付着しています。 男性はまた、交尾中に女性に引っ掛かるために使用されるセックスコームと呼ばれる前足に剛毛のパッチを持っています。これらの明確な表現型の違いにより、男性と女性を区別することが非常に容易になり、遺伝的交配を設定する際に特に役立ちます。

ショウジョウバエとの交配を設定することは、遺伝学を研究するための有用な手法です。 それでは始めましょう!

交配を設定するための最初のステップは、目的の遺伝子型の処女の女性を収集することです。これにより、彼女が交配する男性を正確に制御できます。 ショウジョウバエは、脱皮後最初の8時間は交尾できないため、非常に若い成体を集めると処女が保証されます。 新たに閉じ込められた女性を回収するには、バイアルを死体安置所に空けて、すべての成体を追い払います。 3〜4時間ごとに、新しく閉じた成虫のバイアルをチェックし、使用する準備ができるまでオスのいない新しいバイアルにメスを集めます。処女の女性は、非常に明るい体色と、胎便として知られる腹部の暗い斑点によって識別されます。

交配を開始する準備ができたら、4〜6人の男性と4〜6人の処女女性を目的の遺伝子型で結合し、日付入りの食品バイアルに入れ、25で保存しますか?Cと60%の湿度。 3〜4日後、幼虫が存在し、親を新しいバイアルに移し、親が子孫と交配するのを防ぎます。 約10日後、新しい子孫が出現し、その表現型を調べることができます。

ショウジョウバエの研究者が使用するツールの1つは、遺伝子組換えを防ぎ、ハエの正しい遺伝子型を決定するのに役立つ巻き毛の翼などの遺伝マーカーを含むバランサー染色体です。 2つの異なる突然変異に対してヘテロ接合性のハエが必要な場合は、バランサー染色体CyO上に突然変異#1のストックを交配し、CyOに対してもバランスのとれた突然変異#2のストックを交配できます。 巻き毛の翼を持たずに出現する子孫は、両方の突然変異に対してヘテロ接合体です。

ショウジョウバエの研究で一般的に使用される別のツールは、研究者が特定の組織で遺伝子を発現またはノックダウンすることを可能にするUAS-GAL4システムです。GAL4は、組織特異的なプロモーターによって駆動される酵母転写因子であり、UASは、目的遺伝子の発現を制御するアップストリーム活性化配列です。組織特異的なGAL4導入遺伝子を持つハエと、目的の遺伝子が直接下流にあるUAS導入遺伝子を持つハエを交配すると、GAL4タンパク質がUASに結合し、目的の遺伝子の発現を促進します。 例えば、UAS-GFPを蛹の翅円盤に特異的なアプテラス-GAL4に交配すると、その細胞内で特異的にGFPを発現します。

ショウジョウバエの発生と繁殖を研究するために使用できる多くのアプリケーションがあります。その応用例の一つが行動分析、特に求愛行動です。 求愛中、男性は女性に向きを変え、前足で彼女を叩きながら彼女を追いかけます。 女性が受容的であれば、彼女は男性が彼女に乗ることを許可します。 オスは腹部を丸め、精液をメスに移しますが、これは交尾として知られるプロセスです。さまざまな変異体におけるこれらの求愛行動の解析は、行動の遺伝的制御についての洞察を提供します

ショウジョウバエの発生は、多くの細胞の動きと形状の変化を含む非常にダイナミックなプロセスであり、これらはライブイメージングを通じて研究することができます。 例えば、胚形成中の背側閉鎖は、上皮の隙間がジッパー状に閉じられ、多くの細胞タイプの調整が関与することです。開発中の背側閉鎖は、創傷閉鎖を研究するためのモデルとしてよく使用され、これは臨床的な意味を持つ可能性があります。

ショウジョウバエの発生過程を理解するために使用される3つ目の応用は、個々の遺伝子の活性を低下させるRNA干渉であり、大規模な逆遺伝学的スクリーニングに使用することができます。 例えば、dsRNAを胚に注入することができ、例えば、遺伝子ノックダウンが臓器発生に及ぼす影響を評価することができます。 ここで、RNA干渉により、気管発達における融合に重要な遺伝子が明らかになりました。

JoVEのショウジョウバエの繁殖と開発の紹介を見ました。 このビデオでは、ショウジョウバエのライフサイクルについて、開発の各段階の詳細を含めてレビューしました。 また、ショウジョウバエの生殖能力を利用して遺伝学を研究し、交配を設定する方法も学びました。最後に、ショウジョウバエの発生と繁殖が、行動、創傷閉鎖、臓器の発達などの複雑なプロセスを理解するのにどのように役立つかを学びました。