Введение в изучение Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster, также известная как "плодовая мушка," представляет собой небольшое насекомое, которое часто встречается рядом со спелыми фруктами. Drosophila является широко используемым модельным организмом для научных исследований, а изучение этого организма позволило получить ценные сведения о генетике эукариот и заболеваниях человека.

Для начала давайте познакомимся с Drosophila как с организмом. Тело Drosophila состоит из трех основных отделов — головы, груди и брюшка, а также имеет одну пару крыльев и три пары ног. Их длина составляет от 2-4 mm, а масса — около 1 mg. Самки обычно крупнее самцов. Плодовые мушки дикого типа имеют большие красные глаза и бледно-желтое или светло-коричневое тело с черными полосами на брюшке.

Жизненный цикл Drosophila длится около 2 недель и состоит из 4 основных стадий: эмбриона, личинки, куколки и взрослой особи. Средняя продолжительность жизни Drosophila составляет от 60-80 дней, однако на нее могут влиять такие факторы, как температура или перенаселенность.

Плодовые мушки встречаются на всех континентах, кроме Антарктиды. Чаще всего они обитают в тропическом климате, но могут адаптироваться к более холодному климату, перемещаясь в помещения.

Drosophila могут выживать в диапазоне температур 12-35 °C. В лаборатории мы содержим мушек в инкубаторах при 25 °C и влажности 60% для обеспечения оптимальной выживаемости и плодовитости.

Типичный рацион Drosophila составляют микроорганизмы, такие как дрожжи, которые обитают на очень спелых и гниющих фруктах и овощах. Однако в лаборатории мы используем корм, состоящий из кукурузной муки, патоки, агара, сахара, дрожжей и воды.

Теперь, когда мы немного познакомились с организмом Drosophila, давайте обсудим, почему исследователи решили изучать его. Во-первых, малый размер мухи облегчает как обращение с ними, так и их анестезирование.

Работа с мухами также привлекательна тем, что для их содержания и размещения в лаборатории требуется недорогое оборудование.

Благодаря короткому жизненному циклу, получение нового взрослого потомства занимает примерно 2 недели с момента организации спаривания. Самки чрезвычайно плодовиты и могут откладывать сотни яиц в день. Таким образом, эксперименты с мухами можно проводить быстро и с очень большим количеством образцов.

Drosophila легко изучать, поскольку их генетика проще по сравнению с млекопитающими. Геном Drosophila состоит всего из четырех хромосом с примерно 14 000 генами. Мухи также обладают ограниченной генетической избыточностью. Генетическая избыточность означает, что за определенную биологическую функцию отвечает более одного гена. Например, у мышей может быть три копии гена, вызывающего определенный фенотип. Когда один ген мутирует, остальные могут компенсировать это, что не приводит к наблюдаемым изменениям в развитии или физиологии. Таким образом, эксперименты по мутагенезу у мышей менее информативны. Напротив, у мух может быть только одна версия гена, поэтому при мутации этого гена происходит изменение фенотипа, что позволяет понять функцию данного конкретного гена.

Кроме того, было разработано несколько методов индуцирования генетических мутаций, включая рентгеновское или УФ-облучение, а также гомологичную рекомбинацию. Наконец, многолетние исследования привели к созданию сплоченного сообщества ученых, работающих с Drosophila, что облегчает доступ к огромному количеству мутантных линий и генетических инструментов.

В заключение, мухи являются отличным модельным организмом благодаря поразительному генетическому сходству с людьми и другими млекопитающими. Примерно 50% генов мухи гомологичны генам млекопитающих, что означает, что ген происходит от общего предка. Кроме того, 75% генов, связанных с заболеваниями у людей, имеют ортологи, или гены с аналогичными функциями, у мухи.

Теперь, когда мы немного узнали о том, почему Drosophila так хороша для экспериментальных исследований, давайте рассмотрим некоторые выдающиеся работы, проведенные на мухах. В начале XX века мухи впервые стали модельным организмом в лаборатории Томаса Ханта Моргана. В 1910 году Морган обнаружил муху с белыми глазами среди коллекции мух с красными глазами. С помощью микроскопии он наблюдал за полосами на хромосомах и заметил, что одна и та же картина всегда наблюдалась у мух с белыми глазами. С помощью этих экспериментов он обосновал хромосомную теорию наследственности, за которую в 1933 году был удостоен Нобелевской премии.

В 1927 году один из учеников Томаса Ханта Моргана, Герман Мюллер, обнаружил, что рентгеновские лучи могут индуцировать генетические мутации. За это открытие Мюллер получил Нобелевскую премию в 1946 году.

В 70-е и 80-е годы Эд Льюис, Кристиана Нюслайн-Фольхард и Эрик Вишаус провели скрининги для идентификации ряда генов, которые имеют решающее значение в процессе развития. Они идентифицировали некоторые из генов, определяющих дорсально-вентральную и передне-заднюю оси эмбриона, а также гены, участвующие в сегментации, которая определяет план строения тела. В 1995 году они были удостоены Нобелевской премии.

В 1990-е годы Жюль Хоффман использовал Drosophila для исследования врожденного иммунитета — первой линии защиты от патогенов, таких как бактерии. Он открыл Toll-рецепторы и продемонстрировал их важность для распознавания патогенов и защиты от них. Перед вами эмбриональные гемоциты — клетки, которые могут распознавать патогены в эмбрионе Drosophila и реагировать на них. Хоффман получил Нобелевскую премию в 2011 году за свою работу над системой врожденного иммунитета Drosophila, разделив награду с Брюсом Бютлером и Ральфом Стайнманом за их исследования врожденного иммунитета млекопитающих.

Работа с Drosophila имеет множество важных применений, от генетики до изучения заболеваний человека. Например, генетика развития часто гомологична, поэтому идентификация и характеристика генов, регулирующих развитие у мух, имеют большое значение для понимания развития человека. Ген Drosophila "eyeless" необходим для развития мухи. Гомологи гена eyeless у млекопитающих имеют множество функциональных сходств, таким образом, понимание развития глаза Drosophila может помочь в изучении развития и заболеваний глаза человека.

Исследования на Drosophila также могут помочь в понимании неврологических заболеваний человека. Например, экспрессия в мухе человеческого гена, связанного с болезнью Паркинсона, приводит к постепенной гибели нейронов и накоплению белковых агрегатов, что в итоге вызывает снижение локомоторной способности.

Исследования на мухах позволили получить важные знания о развитии и функционировании сердца человека. Многие гены, связанные с функцией сердца, консервативны у мух и людей, и, как и у людей, физические тренировки могут значительно улучшить выполнение физических задач.

Вы только что посмотрели вводное видео JoVE о Drosophila melanogaster. В этом ролике мы рассмотрели характеристики дрозофилы, причины, по которым она является столь мощным модельным организмом, а также важные открытия и области применения. Несмотря на то, что эти насекомые могут показаться очень далекими от человека, исследования Drosophila стали важным источником знаний для понимания развития и заболеваний человека. Только время покажет, что ждет исследования Drosophila в будущем.