3.8: 초파리 발달 및 생식

Drosophila melanogaster는 연구 개발 및 재생산에서 모델 유기체로 널리 사용됩니다. 초파리는 수명 주기(life cycle)로 알려진 과정에서 여러 발달 단계를 거치며 각 단계는 발달 연구를 위한 고유한 플랫폼을 제공합니다. 이 비디오에서는 유전자 교배를 설정하는 방법을 포함하여 초파리 발달 및 생식의 기본 사항을 제시하고 이 연구를 적용하여 상처 치유에서 행동에 이르는 과정을 이해하는 방법에 대해 논의합니다.

먼저 초파리의 생활사에 대해 알아보겠습니다. 초파리는 배아, 유충, 번데기, 성체의 4가지 주요 발달 단계를 거칩니다.

배아는 길이가 약 0.5mm이고 타원형인 수정란입니다. 수정 직후, 배아는 성장 없이 급격한 유사분열을 겪습니다. 접합핵은 9차례의 핵 분열을 거치지만 사이토키네시스(cytokinesis)는 거치지 않고 세포융합배배엽(syncytial blastoderm)이라고 하는 다핵 세포를 형성합니다. 세포융합배배엽의 모든 핵은 공통 세포질을 공유하기 때문에 단백질은 자유롭게 확산되어 모르포겐 구배를 형성할 수 있으며, 이는 즉석에서 개별 장기 및 조직의 신체 계획과 패턴화를 확립하는 데 중요합니다. 10번째 핵분열 후, 핵은 세포융합배배엽(syncytial blastoderm)의 주변부로 이동합니다. 수정 후 약 3시간 후에 발생하는 13차 핵 분열 후, 세포융합 배배엽에 있는 6000개의 핵이 개별화되어 세포 배배엽을 형성합니다. 세포 배배엽은 세포의 단층을 포함하고 있으며 gastrulation으로 알려진 과정에서 복잡한 다층 구조로 변형됩니다. 배아형성 동안, 세포 모양의 변화는 단배엽의 침습을 유도하여 궁극적으로 내배엽, 중배엽 및 외배엽 세균층을 생성합니다. 내배엽은 장을 생성하고, 중배엽은 근육과 심장을 생성하고, 외배엽은 표피와 중추 신경계를 생성합니다. 24시간이 지나면 배아가 유충으로 부화합니다.

유충은 흰색이며 벌레와 같은 분절된 몸체가 있습니다. 그들은 젖은 음식을 먹고 기어 다니며 끊임없이 먹기 때문에 빠른 성장으로 이어집니다. 유충은 3단계를 거쳐 진행하는데, 첫 번째 인스타는 24시간, 두 번째 인스타는 24시간, 세 번째 인스타는 48시간 동안 진행됩니다. 털갈이는 각 단계 사이에서 발생합니다. 번데기가 될 준비가 되면 세 번째 instar 유충은 먹이를 떠나 유리병 측면과 같은 단단한 표면에 부착합니다.

번데기는 움직이지 않으며 처음에는 부드럽고 흰색이지만 결국에는 굳어지고 갈색으로 변합니다. 4일 동안 유충 조직은 퇴화하고 성체 조직이 형성됩니다. Eclosion은 번데기 단계의 끝을 표시하고 파리는 성인으로 나옵니다.

eclosion 8시간 후, 성충은 성적으로 수용하고 짝짓기를 시작하여 생활 주기를 다시 시작합니다.

전체 수명주기는 약 10 일이 걸립니다 25 ? C이지만 온도의 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어, 18 ? C 수명주기는 약 19 일이고 29 일입니까? C, 수명 주기는 단 7일입니다.

발달 전반에 걸쳐 패턴 형성에 대한 신중한 유전적 조절은 신체 계획을 수립하고 개별 조직과 기관을 지정합니다. 중요한 것은 전방-후방 축의 확립이 유기체의 머리에서 꼬리까지의 방향을 정의하고 여러 유전자 그룹에 의해 조절된다는 것입니다.

첫째, 모계 효과 유전자는 난모세포에 공급되어 암컷으로부터 유전됩니다. 그들은 배아의 전방과 후방을 초기에 확립하기 위해 세포융합 배배엽에서 중요합니다. 특히, 바이코이드 유전자(bicoid gene)는 머리와 흉부를 포함한 배아의 앞쪽을 정의하고, 나노스 유전자(nanos gene)는 복부를 포함한 뒤쪽을 정의합니다.

둘째, 모계 효과 유전자에 의해 조절되는 분할 유전자에는 갭 유전자(gap genes)와 쌍 규칙 유전자(pair rule genes)가 포함된다. 갭 유전자(gap genes)는 배아(embryo)를 광범위하게 세분화함으로써 전방-후방(anterior-posterior axis)을 따라 분절된 신체 계획을 수립합니다. 쌍 규칙 유전자는 전후 축에 수직인 줄무늬 패턴으로 발현되어 배아를 더 작은 분절로 더 나눕니다. 그런 다음 engrailed와 같은 분절 극성 유전자는 각 분절 내에서 세포 운명을 확립하기 시작합니다.

마지막으로, 항상성 유전자는 날개와 다리와 같은 특정 해부학적 구조를 정의하는 역할을 합니다. 흥미롭게도, 염색체에 있는 유전자의 순서는 전방-후축을 따라 유전자가 어떻게 발현되는지를 반영합니다.

초파리는 일생 동안 수천 명의 자손을 생산할 수 있는 매우 비옥한 유기체입니다. 암컷은 하루에 수백 개의 알을 낳고 짝짓기가 일어난 후에도 계속해서 알을 수정시킵니다.

초파리는 또한 성적으로 이형성 된 유기체로, 암컷이 수컷과 표현형적으로 구별된다는 것을 의미합니다. 특히 수컷은 암컷보다 체구가 작고 외부 생식기가 어두운 색이며 하복부에 검은색 색소가 더 많습니다. 수컷은 또한 교미 중에 암컷에게 달라붙는 데 사용되는 섹스 빗이라고 하는 앞다리에 강모 패치를 가지고 있습니다. 이러한 뚜렷한 표현형 차이로 인해 수컷과 암컷을 매우 쉽게 구별할 수 있으며, 이는 유전적 교배를 설정할 때 특히 유용합니다.

초파리와 교배를 설정하는 것은 유전학을 연구하는 데 유용한 기술입니다. 자, 시작하겠습니다!

십자가를 설정하는 첫 번째 단계는 원하는 유전자형의 처녀 암컷을 수집하여 어떤 수컷이 짝짓기를 할 것인지 정확히 제어 할 수 있도록하는 것입니다. 초파리는 eclosion 후 처음 8 시간 동안 짝짓기를 할 수 없으므로 아주 어린 성인을 모으는 것은 처녀성을 보장합니다. 새로 폐쇄된 암컷을 모으려면 약병을 영안실로 치우고 모든 성체를 제거하십시오. 3-4시간마다 바이알에 새로 밀폐된 성충이 있는지 확인하고 사용할 준비가 될 때까지 수컷이 없는 새 바이알에 암컷을 모읍니다. 처녀 암컷은 매우 밝은 몸 색깔과 태변(meconium)으로 알려진 복부의 어두운 반점으로 식별됩니다.

십자가를 시작할 준비가 되면, 날짜가 표시된 식품 바이알에 원하는 유전자형을 가진 4-6마리의 수컷과 4-6마리의 처녀 암컷을 결합하고 25마리에 보관합니까? C 및 습도 60%. 3-4일이 지나면 유충이 남게 되고 부모는 부모가 자손과 짝짓기를 하지 못하도록 새 바이알로 옮겨야 합니다. 약 10일 후에 새로운 자손이 나오고 그들의 표현형을 검사할 수 있습니다.

초파리 연구자들이 사용하는 도구 중 하나는 유전자 재조합을 방지하고 파리의 정확한 유전자형을 결정하는 데 유용한 곱슬 날개와 같은 유전적 마커를 포함하는 밸런서 염색체입니다. 두 개의 다른 돌연변이에 대해 이형접합적(heterozygous)인 파리를 원한다면, 밸런서 염색체 CyO를 통해 돌연변이 #1을 가진 스톡을 CyO에 걸쳐 균형을 이루는 돌연변이 #2를 가진 두 번째 스톡으로 교차할 수 있습니다. 곱슬 날개 없이 나오는 모든 자손은 두 돌연변이 모두에 대해 이형접합적입니다.

초파리 연구에서 일반적으로 사용되는 또 다른 도구는 UAS-GAL4 시스템으로, 연구원들이 특정 조직에서 유전자를 발현하거나 녹다운할 수 있도록 합니다. GAL4는 조직 특이적 프로모터에 의해 구동되는 효모 전사 인자이고 UAS는 관심 유전자의 발현을 제어하는 업스트림 활성화 서열입니다. 조직 특이적 GAL4 전이유전자가 있는 파리를 관심 유전자를 다운스트림에서 바로 다운스트림으로 유도하는 UAS 전이유전자가 있는 파리로 교배하면 GAL4 단백질이 UAS에 결합하고 원하는 유전자의 발현을 유도합니다. 예를 들어, 번데기의 날개 디스크에 특이적인 apterous-GAL4로 교차된 UAS-GFP는 해당 세포에서 GFP를 특이적으로 발현합니다.

초파리의 발달과 번식을 연구하는 데 사용할 수 있는 많은 응용 프로그램이 있습니다. 한 가지 응용 프로그램은 행동 분석, 특히 구애 행동입니다. 구애 기간 동안 수컷은 암컷을 향해 몸을 구부리고 앞다리로 암컷을 두드리면서 암컷을 따라갑니다. 암컷이 수용하면 수컷이 암컷에 올라타도록 허용합니다. 수컷은 복부를 말리고 정액을 암컷에게 전달하는데, 이를 교미라고 합니다. 다양한 돌연변이에서 이러한 구애 행동에 대한 분석은 행동

의 유전적 제어에 대한 통찰력을 제공합니다.초파리 발달은 많은 세포 움직임과 모양 변화를 포함하는 매우 역동적인 과정이며, 이는 실시간 이미징을 통해 연구할 수 있습니다. 예를 들어, 배발생 중 배측 폐쇄는 상피의 틈이 많은 세포 유형의 조정을 포함하는 지퍼와 같은 방식으로 닫히는 경우입니다. 발달 중 등쪽 폐쇄는 종종 상처 폐쇄를 연구하기 위한 모델로 사용되며, 이는 임상적 영향을 미칠 수 있습니다.

초파리 발달 과정을 이해하는 데 사용되는 세 번째 응용 분야는 개별 유전자의 활성을 무너뜨리고 대규모 역 유전자 스크리닝에 사용할 수 있는 RNA 간섭입니다. 예를 들어, dsRNA를 배아에 주입할 수 있으며, 예를 들어 유전자 녹다운이 장기 발달에 미치는 영향을 평가할 수 있습니다. 여기서 RNA 간섭은 기관 발달 중 융합에 중요한 유전자를 밝혀냈습니다.

당신은 방금 Drosophila melanogaster 번식 및 개발에 대한 JoVE의 소개를 보았습니다. 이 비디오에서는 각 발달 단계에 대한 세부 정보를 포함하여 초파리의 수명 주기를 검토했습니다. 우리는 또한 유전학을 연구하고 십자가를 설정하기 위해 초파리의 생식 능력을 사용하는 방법을 배웠습니다. 마지막으로, 우리는 초파리의 발달과 번식이 행동, 상처 봉합 및 장기 발달과 같은 복잡한 과정을 이해하는 데 어떻게 유용한지 배웠습니다.