果蝇的发育和生殖

Biology I

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Summary

果蝇能成为极具价值的模式生物的原因之一是它发育过程中的分子,细胞和遗传学基础与高等真核生物如人类高度保守。果蝇在其生命周期中经历了几个不同的发育阶段,每一阶段都提供了独特的发育生物学研究平台。本短片介绍了果蝇生命周期的各个阶段,具体的生理特性以及各个阶段的主要发育事件。接下来,短片讨论了果蝇躯体模式的遗传调控,它对于果蝇的形体结构建立和组织器官特异性发育极为重要。另外,短片也将回顾果蝇生殖以及如何利用果蝇的繁殖特点来建立遗传杂交。最后,我们举例说明如何将果蝇发育和生殖原理应用于科学研究。这些应用包括RNA干扰,交配行为的行为学检测和可让我们以动态过程观察发育的活体成像技术。总而言之,本短片突出了了解果蝇的发育和生殖的重要性,以及如何利用这些知识去了解其他生物的发育过程。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 模式生物I:酵母,果蝇和秀丽线虫. 果蝇的发育和生殖. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

黑腹果蝇是广泛应用于研究发育和生殖的模式生物。其生命周期中要经历几个发育阶段,每一阶段都提供了发育生物学研究的独特平台。本短片中,我们将讲述果蝇发育和生殖的基本知识,包括如何设计遗传杂交以及如何应用该研究去了解包括从创伤修复到行为表现等生物过程

首先,我们来看看果蝇的生命周期。果蝇共经历四个主要发育阶段:卵,幼虫,蛹和成虫。

果蝇卵为0.5毫米长椭圆的受精卵。卵受精后,迅速开始有丝分裂而并不长大。合子要经历9轮细胞核分裂后才开始胞质分裂,形成一个多核细胞也称之为合胞体囊胚。在合胞体囊胚中的各核共享细胞质,蛋白质可以自由扩散,形成形态发生素梯度,这对建立果蝇的形体结构和各个器官组织的模式非常重要。在第十次核分裂后,细胞核移动到合胞体囊胚的边缘,随着第十三次核分裂,也就是受精后3小时,含有6000个核的合胞体囊胚开始变为细胞囊胚。细胞囊胚含有一单层细胞,它将转变成为复杂的多层结构,这一过程称之为原肠胚形成。原肠胚形成中,细胞形态变化使得单层细胞内陷最终形成内胚层,中胚层和外胚层。内胚层会发育成肠,中胚层会发育成肌肉和心脏,外胚层会发育成表皮和中枢神经系统。24小时后,胚胎孵化成幼虫。

幼虫为白色分段躯体的蠕虫。它们蠕动于湿润食物中并不断进食,从而快速生长。幼虫要经历三个时期,第一龄幼虫经历24小时,二龄幼虫经历24小时,三龄幼虫经历48小时。龄期之间会发生蜕皮。当准备蛹化的时候,第三龄幼虫离开食物,贴在硬物如管壁的表面。

蛹不能活动,刚开始柔软呈白色,最终变硬呈棕色。4天后,幼虫组织退化,成虫组织形成。羽化标志着蛹期结束,果蝇发育成成虫。

羽化后8小时,成虫性成熟并开始交配,生命周期又重新开始。

完整的果蝇生命周期在25摄氏度时为10天, 但会受温度影响而变化,如在18摄氏度时,其生命周期约为19天,在29摄氏度时,其生命周期只有7天。

整个发育过程中,躯体模式的精确基因调控建立了果蝇的形体结构并确定了各个组织和器官发育。重要的是前-后轴的建立决定了果蝇的头尾发育,这一过程是由几组基因调控的。

首先是来自于雌体卵母细胞的母源效应基因。它们对在合胞体囊胚中初始建立卵的前后轴非常重要。特别是bicoid基因决定胚胎的前轴包括头部和胸腔。nanos基因决定包括腹部的后轴。

其次,分节基因受母源效应基因,包括间隔基因和成对基因的调控。间隔基因通过对卵进行大致细分,沿着前-后轴建立起分节的形体结构。成对基因垂直于前-后轴以条纹方式表达,进一步将卵划分为更小的体节。然后体节极性基因,如engrailed基因开始决定每一体节中细胞的命运。

最后,同源异形基因决定特定的解剖学结构,如翅膀和腿。有意思的是这些基因在染色体上的排布顺序决定了它们沿着前后轴表达的顺序。

果蝇繁殖能力极强,其一生可产生成千上万的后代。雌蝇每天产卵上百枚,一旦交配完成后就开始持续产卵。

果蝇也是雌雄异态生物,即雌蝇有着和雄蝇截然不同的表型。雄蝇个体小于雌蝇,有着深色外生殖器,且腹底部有黑色色素。雄蝇前腿有一片刷毛称之为性梳,用于在交尾时抱紧雌蝇。这些截然不同的表型使得区分雌雄蝇非常容易,在建立遗传杂交时也特别有用。

建立果蝇杂交是非常有用的研究遗传学的技术,下面让我们来从头开始!

建立杂交的第一步是收集带有目的基因型的处女雌蝇,这样我们可以准确控制与之交配的雄蝇。果蝇在羽化后8小时内不能交配,因此尽量收集刚羽化的幼龄成蝇就可确保其为处女蝇。要收集处女雌蝇,先将培养管中已有的成蝇倒入灭蝇瓶中清除。然后每3-4小时检查培养管,将新羽化的雌蝇转移到新的管中,不要混入任何雄蝇。处女蝇可以通过其较浅的体色和腹部黑点也就是蛹便来辨认。

开始杂交时,将想要基因型的雄蝇4-6只和处女雌蝇4-6只混合到培养管中,置于温度25度,湿度60%培养。3-4天后,幼虫出现,将亲本成虫转移到新管中以防止亲本与子代交配。大约10天后,新的子代出现,就可确认其表型。

科研人员在果蝇研究中使用的工具之一是平衡染色体,它可防止遗传重组,并含有例如卷翅的遗传标记,帮助检测果蝇的基因型是否正确。如果你想让两个不同的突变体杂合。可以让带有平衡染色体CyO的突变体1和也带有CyO的突变体2交配。非卷翅的子代就是两突变体的杂合。

另一个在果蝇研究中常用的工具是UAS-GAL4系统,它使得研究人员能在特定组织中表达或缺失某目的基因。GAL4是一个酵母转录因子,受组织特异性启动子调控。UAS是上游激活序列,控制着目的基因的表达。当你将一个带有特异组织表达GAL4的转基因果蝇与带有UAS并下游偶联目的基因的转基因果蝇杂交时,GAL4蛋白结合到UAS位点促进目的基因表达。例如将UAS-GFP果蝇与apterous-GAL4果蝇杂交,由于apterous-GAL4在蛹的翅膀成虫盘中特异表达,其杂交后代将只在这些细胞中特异表达GFP。

研究果蝇的发育和生殖有很多方面的应用。其中一个用于行为分析-特别是求偶行为。求偶时,雄蝇转向雌蝇,跟在其后用前腿拍打雌蝇。如果雌蝇愿意接受,会让其爬上后背。雄蝇弯曲腹部将精液传递给雌蝇,该过程称之为交配。通过对不同突变体求偶行为的分析可以了解该行为的遗传学调控。

果蝇发育是一个包含多个细胞活动和形体变化的极为动态的过程,可通过活体成像来进行研究。例如,果蝇胚胎发育中的背闭合过程是指上皮裂缝以拉链方式闭合,该过程涉及到多种不同类型的细胞共同协作。发育中的背闭合过程通常是研究伤口愈合的一种模型,非常具有临床价值。

第三个应用是RNA干扰,帮助了解果蝇发育,这种技术可以抑制个别基因的表达活性,可用于大规模的反向遗传筛选。比如,可将双链RNA注射到果蝇卵中,然后评估特定基因的抑制对器官发育所造成的影响。这里我们用RNA干扰技术发现了在气管发育的融合过程中发挥重要作用的一个基因。

您刚观看的是JoVE对果蝇生殖和发育介绍的短片。这个短片中,我们回顾了果蝇的生命周期,包括发育每一阶段的具体细节。我们还知道了如何利用果蝇的繁殖能力来进行遗传学研究和建立杂交。最后我们学习了为何研究果蝇的生殖和发育有助于了解复杂的生物进程,如行为,伤口愈合和器官发育。

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