3.2: Wprowadzenie do Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster, znana również jako "muszka owocowa", to mały owad, który jest powszechnie spotykany w pobliżu dojrzewających owoców. Drosophila jest szeroko stosowanym organizmem modelowym do badań naukowych, a badania tego organizmu dostarczyły wglądu w genetykę eukariotyczną i choroby człowieka.

Na początek poznajmy Drosophila jako organizm. Drosophila ma trzy główne segmenty ciała - głowę, klatkę piersiową i brzuch - a także pojedynczą parę skrzydeł i trzy pary nóg. Mają od 2 do 4 mm długości i ważą około 1 mg. Samice są zazwyczaj większe niż samce. Muszki owocowe typu dzikiego mają duże czerwone oczy i bladożółte lub jasnobrązowe ciała z czarnymi paskami na brzuchu.

Cykl życiowy Drosophila trwa około 2 tygodni i składa się z 4 głównych etapów: zarodka, larwy, poczwarki i dorosłego osobnika. Średnia długość życia Drosophila wynosi od 60 do 80 dni, jednak na długość życia mogą mieć wpływ takie czynniki, jak temperatura lub przeludnienie.

Muszki owocowe występują na każdym kontynencie z wyjątkiem Antarktydy. Częściej można je znaleźć w klimacie tropikalnym, ale mogą przystosować się do chłodniejszego klimatu, przenosząc się do pomieszczeń.

Drosophila może przetrwać w zakresie 12-35 °C. W laboratorium przechowujemy muchy w inkubatorach ustawionych na 25 ? C i 60% wilgotności dla idealnego przetrwania i płodności.

Typową dietą dla Drosophila są mikroorganizmy, takie jak drożdże, które zamieszkują bardzo dojrzałe i gnijące owoce i warzywa. Jednak w laboratorium używamy żywności składającej się z mąki kukurydzianej, melasy, agaru, cukru, drożdży i wody.

Teraz, gdy dowiedzieliśmy się trochę o organizmie Drosophila, porozmawiajmy o tym, dlaczego naukowcy zdecydowali się go zbadać. Po pierwsze, niewielki rozmiar muchy sprawia, że są one łatwe zarówno w obsłudze, jak i znieczulaniu.

Muchy są również atrakcyjne do pracy, ponieważ wymagają niedrogiego sprzętu do utrzymania i trzymania w laboratorium.

Dzięki ich krótkiemu cyklowi życia, potrzeba około 2 tygodni od momentu rozpoczęcia krycia, aby wygenerować nowe dorosłe potomstwo. Samice są niezwykle płodne i mogą składać setki jaj dziennie. Dlatego eksperymenty z muchami można przeprowadzać szybko i przy bardzo dużej liczbie próbek.

Drosophila są łatwe do badania, ponieważ ich genetyka jest prosta w porównaniu ze ssakami. Genom Drosophila składa się tylko z czterech chromosomów z około 14 000 genów. Muchy mają również ograniczoną redundancję genetyczną. Redundancja genetyczna oznacza, że więcej niż jeden gen jest odpowiedzialny za określoną funkcję biologiczną. Na przykład myszy mogą mieć trzy kopie genu powodującego określony fenotyp. Kiedy jeden gen jest zmutowany, inne mogą to kompensować, co prowadzi do braku zauważalnych zmian rozwojowych lub fizjologicznych. W związku z tym eksperyment mutagenezy na myszach jest mniej pouczający. W przeciwieństwie do tego, muchy mogą mieć tylko jedną wersję genu, więc kiedy ten gen jest zmutowany, powoduje zmianę fenotypu, dając wgląd w funkcję tego konkretnego genu.

Ponadto opracowano kilka metod indukowania mutacji genetycznych, w tym promieniowanie rentgenowskie lub promieniowanie UV i rekombinację homologiczną. Wreszcie, wiele lat badań zaowocowało przyjazną społecznością naukowców zajmujących się Drosophila, co ułatwia dostęp do ogromnej liczby zmutowanych linii i narzędzi genetycznych.

Wreszcie, muchy są doskonałym organizmem modelowym ze względu na ich uderzające podobieństwa genetyczne do ludzi i innych ssaków. Około 50% genów much jest homologicznych do genów ssaków, co oznacza, że gen pochodzi od wspólnego przodka. Co więcej, 75% genów związanych z chorobami ludzkimi ma ortologi lub geny o podobnych funkcjach w locie.

Teraz, gdy słyszeliśmy już trochę o tym, co sprawia, że Drosophila jest tak świetna do badań eksperymentalnych, sprawdźmy niektóre ze wspaniałych badań, które zostały przeprowadzone na muchach. Na początku XX wieku muchy po raz pierwszy pojawiły się jako organizm modelowy w laboratorium Thomasa Hunta Morgana. W 1910 roku Morgan odkrył muchę białooką wśród kolekcji czerwonookiej muchy. Za pomocą mikroskopii zaobserwował wzory prążków chromosomów i zauważył, że ten sam wzór zawsze obserwowano u białookich muszek. Dzięki tym eksperymentom stworzył chromosomalną teorię dziedziczenia, za którą otrzymał Nagrodę Nobla w 1933 roku.

W 1927 roku jeden ze studentów Thomasa Hunta Morgana, Hermann Muller, odkrył, że promieniowanie rentgenowskie może indukować mutacje genetyczne. Müller otrzymał Nagrodę Nobla w 1946 roku za swoje odkrycie.

W latach 70. i 80. XX wieku Ed Lewis, Christiane Nusslein-Volhard i Eric Wieschaus przeprowadzili badania przesiewowe, aby zidentyfikować szereg genów, które są niezbędne podczas rozwoju. Zidentyfikowali niektóre geny, które ustanawiają oś grzbietowo-brzuszną i przednio-tylną zarodka, a także geny zaangażowane w segmentację, które określają plan ciała. W 1995 roku otrzymali Nagrodę Nobla.

W latach dziewięćdziesiątych XX wieku Jules Hoffmann wykorzystał Drosophila do badań nad odpornością wrodzoną, pierwszą linią obrony przed patogenami, takimi jak bakterie. Odkrył receptory Toll i wykazał ich znaczenie w wykrywaniu i obronie przed patogenami. Oto hemocyty embrionalne, komórki, które potrafią rozpoznawać i reagować na patogeny w zarodku Drosophila. Hoffman zdobył Nagrodę Nobla w 2011 roku za pracę nad wrodzonym układem odpornościowym Drosophila i podzielił się nagrodą z Brucem Beutlerem i Ralphem Steinmanem za ich pracę nad odpornością wrodzoną u ssaków.

Praca nad Drosophila ma wiele ważnych zastosowań, od genetyki po choroby ludzkie. Na przykład genetyka rozwoju jest często homologiczna, więc identyfikacja i charakterystyka genów regulujących rozwój much była ważna dla zrozumienia rozwoju człowieka. Gen "bezoki" Drosophila jest niezbędny do rozwoju muchy. Homologi ssaków bezokich mają wiele funkcjonalnych podobieństw, dlatego zrozumienie rozwoju oczu Drosophila może mieć implikacje w zrozumieniu rozwoju i chorób ludzkiego oka.

Badania nad Drosophila mogą mieć również implikacje w zrozumieniu ludzkich chorób neurologicznych. Na przykład ekspresja ludzkiego genu zaangażowanego w chorobę Parkinsona u muchy prowadzi z czasem do utraty neuronów i akumulacji agregatów białkowych, czego kulminacją jest zmniejszenie zdolności lokomotorycznych.

Badania na muchach doprowadziły do zdobycia ważnej wiedzy na temat rozwoju i funkcji ludzkiego serca. Wiele genów związanych z funkcjonowaniem serca jest konserwatywnych między muchami a ludźmi i, podobnie jak u ludzi, trening fizyczny może znacznie poprawić wydajność przy wykonywaniu zadań fizycznych.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do Drosophila melanogaster. W tym filmie dokonaliśmy przeglądu cech Drosophila, powodów, dla których jest tak potężnym organizmem modelowym, a także ważnych odkryć i zastosowań. Chociaż może się wydawać, że bardzo różnią się od ludzi, badania nad Drosophila są ważnym źródłem zrozumienia rozwoju i chorób człowieka. Tylko czas pokaże, co przyniesie przyszłość badań nad Drosophila.