Eine Einführung in Drosophila melanogaster

Biology I

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Summary

Drosophila Melanogaster, auch als Fruchtfliege bekannt, ist ein leistungsstarker Modellorganismus, welcher in der biologischen Forschung verwendet wird, und zu wichtigen wissenschaftlichen Erkenntnissen der Forschungsgemeinde im letzten Jahrhundert beigetragen hat. Das Video führt zuerst die Fruchtfliege als Organismus ein, einschließlich deren physischen Eigenschaften, Lebenszyklus, den Umweltbedingungen und der Ernährung. Danach erläutern wir Gründe weshalb die Fruchtfliege ein fantastischer Modellorganismus ist. Beispielsweise sind Fruchtfliegen preiswert im Labor zu halten und sie sind genetisch einfach. Eine kurze Generationszeit ermöglicht außerdem schnelle Experimente mit einer hohen Probenanzahl. Danach werden die Schlüsselentdeckungen der Drosophila Forscher, wie zum Beispiel Thomas Hunt Morgan, vorgestellt. Zu letzt gehen wir auf einige wichtige Anwendungen ein, die von genetischen zu neurologischen, bis hin zur kardiologischen Entwicklung und Krankheiten reichen. Dieses Video ist eine Übersicht über den sehr einflussreichen und wichtigen Modellorganismus Drosophila Melanogaster.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Modellorganismen I: Hefe, Drosophila und C. elegans. Eine Einführung in Drosophila melanogaster. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Drosophila melanogaster, die auch als Fruchtfliege bekannt ist, ist ein kleines Insekt das häufig in der Nähe von reifenden Früchten anzutreffen ist. Drosophila ist ein häufig benutzter Modellorganismus in der Wissenschaft, und die Erforschung dieses Organismus hat für viele neue Erkenntnisse in der eukaryotischen Genetik und für humane Krankheiten gesorgt.

Am Anfang schauen wir uns Drosophila als Organismus an. Drosophila haben 3 Hauptsegmente -- den Kopf, Thorax, und den Bauch --, ein paar Flügel und 3 Paar Beine. Sie sind zwischen 2-4mm lang und wiegen etwa 1 mg. Weibchen sind typischerweise größer als Männchen. Wildtyp Fruchtfliegen haben große rote Augen, einen blassgelben oder leicht braunen Körper und zwei schwarze Streifen auf dem Bauch.

Der Drosophila Lebenszyklus dauert etwa 2 Wochen und besteht aus 4 Haupt-Phasen: dem Embro, der Larve, der Puppe und dem Insekt. Die durchschnittliche Lebensdauer der Drosophila ist zwischen 60-80 Tagen. Die Lebensdauer wird jedoch von Faktoren wie zum Beispiel der Temperatur und der Bevölkerungsdichte beeinflusst.

Fruchtfliegen gibt es auf allen Kontinenten außer in der Antarktis. Sie sind häufiger in tropischen Klimazonen anzutreffen, können sich aber einfach dem kälteren Klima anpassen, indem sie in einem Haus leben.

Drosophila können Temperaturen von 12-35°C überleben. Im Labor werden die Fliegen in Inkubatoren gelagert, die auf 25°C und 60% Luftfeuchtigkeit eingestellt sind, um optimale Bedingungen für ihre Fruchtbarkeit und ihr Überleben bereitzustellen.

Die typischen Nährstoffe der Drosophila sind Mikroorganismen wie zum Beispiel Hefen, welche auf reifen und faulenden Früchten vorhanden sind. Im Labor wird jedoch eine Mischung aus Maismehl, Sirup, Agar, Zucker, Hefe und Wasser benutzt.

Nun das wir uns über Drosophila als Organismus unterhalten haben, schauen wir uns an, weshalb Wissenschaftler sich entschieden haben diesen zu erforschen. Ersten macht die kleine Größe der Fruchtfliege es einfach sie zu handhaben und zu betäuben.

Fliegen sind außerdem ideal für das Labor, weil man nur preiswerte Ausrüstung braucht, um sie im Labor zu halten.

Wegen ihres kurzen Lebenszyklus dauert es ungefähr 2 Wochen von der Paarung bis man neue, erwachsene Insekten erhält. Die Weibchen sind extrem fruchtbar und können hunderte von Eiern pro Tag legen. Deshalb kann man Experimente mit Fliegen schnell und mit großer Probenzahl durchführen.

Mit Drosophila kann man Experimente relativ einfach durchführen, da ihre Genetik im Vergleich zu der von Säugetieren einfach ist. Das Drosophila Genom enthält nur 4 Chromosomen mit ca. 14000 Genen. In Fliegen ist die genetische Redundanz außerdem minimal. Genetische Redundanz bedeutet, dass mehr als ein Gen für eine bestimmte biologische Funktion zuständig ist. Das heißt, dass Mäuse beispielsweise 3 Gene haben, um einen bestimmten Phänotyp zu erzeugen. Wenn ein Gen mutiert ist, können die anderen Gene diesen Defekt kompensieren, ohne dass ein beobachtbarer Defekt in der Entwicklung oder Physiologie auftritt. Das heißt das Mutationsexperimente in Mäusen oft weniger aussagekräftig sind. Im Gegensatz dazu haben Fliegen oft nur eine Variante eines Gens. Wenn dieses Gen mutiert ist, erhält man einen Phänotyp und weiß daher was die Funktion des Gens ist.

Außerdem gibt es verschiedene Methoden um genetische Mutationen zu erzeugen, einschließlich von Röntgenstrahlen, UV-Strahlung, und homologer Rekombination. Außerdem haben viele Jahre Forschung eine freundliche Gruppe von Drosophila Wissenschaftlern entstehen lassen, die es einfach macht auf ein große Anzahl von mutierten Linien und genetischen Werkzeugen Zugriff zu erhalten.

Letztlich ist die Furchtliege ein fantastischer Modellorganismus, weil bemerkenswert viele genetische Ähnlichkeiten zu Menschen und anderen Säugetieren bestehen. Ca. 50% der Gene in der Fliege sind homolog zu menschlichen Genen, was bedeutet, dass wir von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen. Außerdem haben 75% der Gene, die zu menschlichen Krankheiten beitragen, orthologe Gene, also Gene mit ähnlicher Funktion, in der Fruchtfliege.

Nun das wir uns angeschaut haben wieso Drosophila so fantastisch für Experimente geeignet sind, schauen wir uns einen Teil der Forschung an, die mit Fruchtfliegen durchgeführt wurde. Anfang des 20. Jahrhunderts sind Fliegen als Modellorganismus in dem Labor von Thomas Hunt Morgan in den Vordergrund getreten. Im Jahr 1910 hat Morgan eine Fliege mit weißen Augen in einer Kolonie von Fliegen mit roten Augen entdeckt. Mit Hilfe von Mikroskopie hat er die Banden in den Chromosomen untersucht und festgestellt, dass in den weißen Fliegen immer die gleichen Muster auftreten. Mit diesen Experimenten hat er die Chromosomentheorie der Erblichkeit entwickelt und dafür den Nobelpreis im Jahr 1933 gewonnen.

Im Jahr 1927 hat Hermann Muller, der ein Student von Thomas Hunt Morgan war, entdeckt dass Röntgenstrahlen genetische Mutationen erzeugen können. Dafür hat Muller 1946 den Nobelpreis erhalten.

In den 70er und 80er Jahren haben Ed Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard und Eric Wieschaus Screens ausgeführt, um Gene zu entdecken, die wichtig für die Entwicklung der Fruchtfliege sind. Damit haben sie Gene entdeckt, welche die dorso-ventrale und anterior-posteriore Achse des Embryos und die Segmentierung, also den Körperplan, festlegen. Sie haben dafür im Jahr 1995 den Nobelpreis erhalten.

Im Jahr 1990 hat Jules Hoffman die Fruchtfliegen benutzt, um die angeborene Immunantwort, also die erste Verteidigung gegen Pathogene wie beispielsweise Bakterien, zu untersuchen. Er hat die Toll-ähnlichen-Rezeptoren entdeckt und gezeigt, dass sie wichtig sind, um sich gegen fremde Pathogene zu verteidigen. Hier sind embryonische Hemozyten, welche Pathogene im Drosophila Embryo erkennen und darauf antworten. Hoffman hat dafür den Nobelpreis im Jahr 2011 erhalten, und ihn mit Bruce Beutler und Ralph Steinman geteilt, welche die angeborene Immunantwort in Säugetieren erforscht haben.

Die Arbeit mit Drosophila hat einige wichtige Anwendungen, welche von der Genetik bis hin zur Krankheitsforschung reichen. Die Genetik der Entwicklung ist beispielsweise oft homolog. Das heißt, dass die Identifikation und Charakterisierung der Gene, welche die Entwicklung in der Fruchtfliege regulieren auch wichtig für die menschliche Entwicklung sind. Das Drosophila-Gen “eyeless“ ist lebenswichtig für die Entwicklung der Fruchtfliegen. Die Säugetierhomologe von eyeless haben viele funktionelle Ähnlichkeiten. Das heißt wenn man die Entwicklung des Auges in Drosophila erforscht, kann das auch wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung des menschlichen Auges haben.

Die Drosophila Forschung hat auch wichtige Auswirkungen für das Verständnis von humanen neurologischen Krankheiten. Die Expression eines menschlichen Gens in Drosophila, das wichtig für die Parkinson-Krankheit ist, führt mit der Zeit zu einem Verlust von Neuronen und einer Anhäufung von Proteinaggregaten, welche in Beeinträchtigungen des Bewegungsapparats resultieren.

Die Erforschung der Fliege hat außerdem zu wichtigen Erkenntnissen in der menschlichen Herzentwicklung und Funktion geführt. Viele Gene, welche mit der Herzfunktion in Verbindung stehen, sind zwischen Fliegen und Menschen erhalten. Ähnlich wie beim Menschen kann Bewegung die Leistungsfähigkeit der Fliege bei physischer Belastung erhöhen.

Das war die Einführung von JoVE in Drosophila Melanogaster. In diesem Video haben wir die Eigenschaften von Drosophila wiederholt, und erläutert wieso es solch ein leistungsstarkes Modell ist. Außerdem haben wir uns wichtige Entdeckungen und Anwendungen angeschaut. Auch wenn sie auf dem ersten Blick sehr unterschiedlich von Menschen sind, sind sie trotzdem eine wichtige Quelle, um die menschliche Entwicklung und Krankheiten zu verstehen. Die Zeit wird zeigen, was die Zukunft für die Drosophila Forschung bereit hält.

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