Een introductie tot Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster, ook bekend als de "fruitvlieg," is een klein insect dat gewoonlijk wordt aangetroffen bij rijpend fruit. Drosophila is een veelgebruikt modelorganisme voor wetenschappelijk onderzoek en de studie van dit organisme heeft inzicht verschaft in de eukaryote genetica en menselijke ziekten.

Laten we beginnen met het leren kennen van Drosophila als organisme. Drosophila hebben drie hoofdlichaamssegmenten—het hoofd, het thorax en het abdomen—evenals één paar vleugels en drie paren poten. Ze zijn 2-4 mm lang en wegen ongeveer 1 mg. Vrouwtjes zijn doorgaans groter dan mannetjes. Wild-type fruitvliegen hebben grote rode ogen en bleekgele of lichtbruine lichamen met zwarte strepen op het abdomen.

De levenscyclus van Drosophila duurt ongeveer 2 weken en bestaat uit 4 hoofdfasen: het embryo, de larve, de pop en de volwassen vlieg. De gemiddelde levensduur van Drosophila ligt tussen de 60-80 dagen, hoewel de levensduur kan worden beïnvloed door factoren zoals temperatuur of overbevolking.

Fruitvliegen komen voor op elk continent, behalve Antarctica. Ze worden vaker aangetroffen in tropische klimaten, maar ze kunnen zich aan koudere klimaten aanpassen door naar binnen te verhuizen.

Drosophila kan overleven in een temperatuurbereik van 12-35 °C. In het laboratorium bewaren we de vliegen in incubatoren die zijn ingesteld op 25 °C en 60% luchtvochtigheid voor een optimale overleving en fertiliteit.

Het typische dieet van Drosophila bestaat uit micro-organismen, zoals gist, die voorkomen op zeer rijpe en rottende vruchten en groenten. In het laboratorium gebruiken we echter voedsel dat bestaat uit maïsmeel, melasse, agar, suiker, gist en water.

Nu we iets hebben geleerd over Drosophila als organisme, laten we bespreken waarom onderzoekers hebben besloten dit organisme te bestuderen. Ten eerste maakt de geringe omvang van de vlieg het gemakkelijk om ze zowel te hanteren als te anesthetiseren.

Vliegen zijn ook aantrekkelijk om mee te werken omdat er goedkope apparatuur nodig is om ze in het laboratorium te onderhouden en te huisvesten.

Dankzij hun korte levenscyclus duurt het ongeveer 2 weken vanaf het moment dat de paring is opgezet tot het genereren van nieuwe volwassen nakomelingen. Vrouwtjes zijn extreem vruchtbaar en kunnen honderden eieren per dag leggen. Daarom kunnen experimenten met vliegen snel en met zeer hoge steekproefaantallen worden uitgevoerd.

Drosophila zijn gemakkelijk te bestuderen, omdat hun genetica eenvoudig is in vergelijking met zoogdieren. Het Drosophila genoom bestaat uit slechts vier chromosomen met ongeveer 14.000 genen. Vliegen hebben bovendien beperkte genetische redundantie. Genetische redundantie betekent dat meer dan één gen verantwoordelijk is voor een bepaalde biologische functie. Muizen kunnen bijvoorbeeld drie kopieën hebben van een gen dat een bepaald fenotype veroorzaakt. Wanneer één gen muteert, kunnen de anderen dit compenseren, wat leidt tot geen waarneembare ontwikkelings- of fysiologische verandering. Hierdoor is een mutagenese-experiment bij muizen minder informatief. In contrast kunnen vliegen slechts één versie van een gen hebben, waardoor een mutatie in dat gen een verandering in het fenotype veroorzaakt, wat inzicht geeft in de functie van dat specifieke gen.

Verder zijn er verschillende methoden ontwikkeld om genetische mutaties op te wekken, waaronder röntgenstraling, UV-bestraling en homologe recombinatie. Tot slot hebben vele jaren onderzoek geleid tot een behulpzame gemeenschap van Drosophila wetenschappers, wat de toegang tot het enorme aantal mutantlijnen en genetische tools vergemakkelijkt.

Ten slotte zijn vliegen een uitstekend modelorganisme vanwege hun opvallende genetische overeenkomsten met mensen en andere zoogdieren. Ongeveer 50% van de vliegengenen is homoloog aan zoogdiergenen, wat betekent dat het gen afkomstig is van een gemeenschappelijke voorouder. Bovendien hebben 75% van de menselijke ziekte-gerelateerde genen orthologen, oftewel genen met vergelijkbare functies, in de vlieg.

Nu we hebben gehoord wat Drosophila zo geschikt maakt voor experimenteel onderzoek, laten we kijken naar een aantal van de belangrijke onderzoeken die met vliegen zijn uitgevoerd. In het begin van de 20e eeuw kwamen vliegen voor het eerst naar voren als modelorganisme in het laboratorium van Thomas Hunt Morgan. In 1910 ontdekte Morgan een witogige vlieg in een collectie roodogige vliegen. Met behulp van microscopie observeerde hij de bandenpatronen van chromosomen en zag dat hetzelfde patroon altijd werd waargenomen bij witogige vliegen. Met deze experimenten stelde hij de chromosomale erfelijkheidstheorie vast, waarvoor hij in 1933 de Nobelprijs won.

In 1927 ontdekte Hermann Muller, een van de studenten van Thomas Hunt Morgan, dat röntgenstralen genetische mutaties kunnen induceren. Muller won in 1946 de Nobelprijs voor deze ontdekking.

Tijdens de jaren '70 en '80 voerden Ed Lewis, Christiane Nusslein-Volhard en Eric Wieschaus screenings uit om een aantal genen te identificeren die essentieel zijn tijdens de ontwikkeling. Zij identificeerden enkele van de genen die de dorsaal-ventraal- en anterieur-posterieur-assen van het embryo vastleggen, evenals de genen die betrokken zijn bij segmentatie, welke het lichaamsplan specificeren. Zij wonnen in 1995 de Nobelprijs.

In de jaren '90 gebruikte Jules Hoffmann Drosophila voor onderzoek naar aangeboren immuniteit, de eerste verdedigingslinie tegen pathogenen, zoals bacteriën. Hij ontdekte Toll-receptoren en demonstreerde hun belang voor het detecteren van en verdedigen tegen pathogenen. Hier zijn embryonale hemocyten, cellen die pathogenen in het Drosophila-embryo kunnen herkennen en erop kunnen reageren. Hoffmann won in 2011 de Nobelprijs voor zijn werk aan het aangeborene immuunsysteem van Drosophila, en deelde de prijs met Bruce Beutler en Ralph Steinman voor hun werk aan aangeborene immuniteit bij zoogdieren.

Onderzoek met Drosophila heeft veel belangrijke toepassingen, variërend van genetica tot menselijke ziekten. Zo zijn de genetica van de ontwikkeling vaak homoloog, waardoor de identificatie en karakterisering van genen die de ontwikkeling bij vliegen reguleren, van belang zijn geweest voor het begrijpen van de menselijke ontwikkeling. Het Drosophila "eyeless" gen is essentieel voor de ontwikkeling van de vlieg. De mammale homologen van eyeless vertonen veel functionele overeenkomsten; het begrijpen van de oogontwikkeling bij Drosophila kan dus implicaties hebben voor het begrijpen van de menselijke oogontwikkeling en oogziekten.

Drosophila-onderzoek kan ook implicaties hebben voor het begrijpen van menselijke neurologische ziekten. Zo leidt de expressie van een menselijk gen dat betrokken is bij de ziekte van Parkinson in de vlieg tot een geleidelijk verlies van neuronen en een ophoping van proteïneaggregaten, wat resulteert in een afname van het locomotorisch vermogen.

Onderzoek bij de vlieg heeft geleid tot belangrijke kennis over de menselijke hartontwikkeling en -functie. Veel genen die geassocieerd worden met de cardiale functie zijn geconserveerd tussen vliegen en mensen, en net als bij mensen kan fysieke training de prestaties bij fysieke taken aanzienlijk verbeteren.

U heeft zojuist de introductie van JoVE over Drosophila melanogaster bekeken. In deze video hebben we de kenmerken van Drosophila besproken, de redenen waarom het zo'n krachtig modelorganisme is, evenals belangrijke ontdekkingen en toepassingen. Hoewel ze zeer verschillend van mensen lijken, is Drosophila-onderzoek een belangrijke bron geweest voor het begrijpen van menselijke ontwikkeling en ziekten. Alleen de tijd zal uitwijzen wat de toekomst van Drosophila-onderzoek brengt.