Drosophila melanogaster -Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster
Drosophila melanogaster Proboscis.jpg
Научная классификация
Королевство:
Тип:
Класс:
Порядок:
Семья:
Род:
Подрод:
Видовая группа :
Подгруппа видов :
Видовой комплекс :
Комплекс Drosophila melanogaster
Разновидность:
D. melanogaster
Биномиальное имя
Drosophila melanogaster
Мейген , 1830 г.

Drosophila melanogaster - это вид мух (таксономический порядок Diptera) в семействе Drosophilidae . Этот вид часто называют плодовой мухой или меньшей плодовой мухой , однако его общее название более точно - уксусная муха . [1] Начиная с предложения Чарльза В. Вудворта об использовании этого вида в качестве модельного организма , D. melanogaster продолжает широко использоваться для биологических исследований в области генетики , физиологии , микробного патогенеза и эволюции жизненного цикла . По состоянию на 2017 год пять Нобелевских премий были присуждены дрозофилам за их работу с животными.

D. melanogaster обычно используется в исследованиях из-за его быстрого жизненного цикла, относительно простой генетики с четырьмя парами хромосом и большого количества потомков на поколение. Первоначально это был африканский вид со всеми неафриканскими линиями, имеющими общее происхождение. Его географический ареал включает все континенты, в том числе острова. D. melanogaster - распространенный вредитель в домах, ресторанах и других местах, где подают пищу.

Мух, принадлежащих к семейству Tephritidae , также называют «плодовыми мухами». Это может вызвать путаницу, особенно в Средиземноморье, Австралии и Южной Африке , где средиземноморская плодовая муха Ceratitis capitata является экономическим вредителем.

Внешность

Самка (слева) и самец (справа) D. melanogaster
Вид сверху
Передний план

Плодовые мушки дикого типа желто-коричневые, с кирпично-красными глазами и поперечными черными кольцами на брюшке. Кирпично-красный цвет глаз у мух дикого типа обусловлен двумя пигментами: коричневым ксантомматином, производным от триптофана , и дрозоптеринами, которые имеют красный цвет и являются производными гуанозинтрифосфата . Они демонстрируют половой диморфизм ; самки около 2,5 мм (0,10 дюйма) в длину; самцы немного мельче, с более темной спиной. Самцов легко отличить от самок по цвету, с отчетливым черным пятном на брюшке, менее заметным у недавно появившихся мух, и половыми гребнями (рядом темных щетинок на предплюсне первой ноги). Кроме того, у самцов есть скопление колючих волосков (пряжек), окружающих воспроизводящиеся части, которые используются для прикрепления к самкам во время спаривания. Обширные изображения можно найти на FlyBase . Мухи Drosophila melanogaster могут ощущать воздушные потоки волосками на спине. Их глаза чувствительны к небольшим перепадам интенсивности света и инстинктивно улетают при обнаружении тени или другого движения.

Жизненный цикл и воспроизводство

Яйцо D. melanogaster

В оптимальных условиях роста при 25 ° C (77 ° F) продолжительность жизни D. melanogaster составляет около 50 дней от яйца до смерти. Период развития D. melanogaster зависит от температуры, как и у многих экзотермических видов. Наименьшее время развития (от яйца до взрослой особи), 7 дней, достигается при температуре 28 ° C (82 ° F). Время проявления сокращается при более высоких температурах (11 дней при 30 ° C или 86 ° F) из-за теплового стресса. В идеальных условиях время проявления при 25 ° C (77 ° F) составляет 8,5 дней, при 18 ° C (64 ° F) - 19 дней, а при 12 ° C (54 ° F) - более 50 дней. В условиях скученности время развития увеличивается, при этом появляющиеся мухи мельче. Самки откладывают около 400 яиц (эмбрионов), примерно по пять за раз, в гниющие фрукты или другой подходящий материал, такой как гниющие грибы и соки . Drosophila melanogaster - голометаболическое насекомое, поэтому оно претерпевает полную метаморфозу. Их жизненный цикл разбит на 4 стадии: эмбрион, личинка, куколка, взрослая особь. Яйца длиной около 0,5 мм вылупляются через 12–15 часов (при 25 ° C или 77 ° F). Полученные личинки растут примерно 4 дня (при 25 ° C), линяют дважды (на личинок второго и третьего возраста), примерно через 24 и 48 часов после вылупления. За это время они питаются микроорганизмами , разлагающими плод, а также сахаром самого плода. Мать помещает кал в мешочки для яиц, чтобы установить тот же микробный состав в кишечнике личинок, который положительно сработал для нее самой. Затем личинки инкапсулируются в пупарии и претерпевают 4-дневный метаморфоз (при 25 ° C), после чего взрослые особи вылупляются (выходят наружу).

Звук сердцебиения дрозофилы

Самцы демонстрируют пять моделей поведения, чтобы ухаживать за самками. Во-первых, самцы ориентируются во время исполнения песни ухаживания, горизонтально вытягивая крылья и вибрируя их. Вскоре после этого самец занимает низкую позу в задней части живота самки, чтобы постучать и лизнуть женские гениталии. Наконец, самец скручивает живот и предпринимает попытку совокупления. Самки могут отвергать самцов, удаляясь, пиная и выдавливая свой яйцеклад. Копуляция длится около 15–20 минут, в течение которых самцы переносят несколько сотен очень длинных (1,76 мм) сперматозоидов в семенной жидкости самке. Самки хранят сперму в трубчатом сосуде и в двух грибовидных сперматеках ; сперма от нескольких спариваний конкурирует за оплодотворение. Считается, что существует последний мужской приоритет; последний самец, спарившийся с самкой, дает около 80% ее потомства. Было обнаружено, что это преимущество имеет место как в результате перемещения, так и в результате потери трудоспособности. Смещение объясняется тем, что самка мухи обращается со спермой во время многократных спариваний, и наиболее значительна в течение первых 1-2 дней после совокупления. Смещение из семеприемника более значимо, чем смещение из сперматеки. Инкапаситация первого мужского сперматозоида вторым мужским сперматозоидом становится значительной через 2-7 дней после совокупления. Считается, что семенная жидкость второго самца ответственна за этот механизм выведения из строя (без удаления первой мужской спермы), который вступает в силу до того, как произойдет оплодотворение . Задержка в эффективности механизма вывода из строя считается защитным механизмом, который не позволяет самцу мухи выводить из строя свою собственную сперму, если он многократно спаривается с одной и той же самкой. Сенсорные нейроны матки самок D. melanogaster реагируют на мужской белок, половой пептид , который содержится в сперме. Этот белок заставляет самку сопротивляться совокуплению в течение примерно 10 дней после осеменения . Определен сигнальный путь, приводящий к такому изменению поведения. Сигнал отправляется в область мозга, которая является гомологом гипоталамуса, и гипоталамус затем контролирует сексуальное поведение и желание. Гонадотропные гормоны у Drosophila поддерживают гомеостаз и регулируют репродуктивную продукцию посредством циклической взаимосвязи, наподобие эстрального цикла млекопитающих . Половой пептид нарушает этот гомеостаз и резко сдвигает эндокринное состояние самки, стимулируя синтез ювенильного гормона в аллатическом теле.

D. melanogaster часто используется для исследований по продлению жизни , например для выявления генов, предназначенных для увеличения продолжительности жизни при мутации . D. melanogaster также используется в исследованиях старения . Синдром Вернера - это заболевание человека, характеризующееся ускоренным старением. Это вызвано мутациями в гене WRN, который кодирует белок, играющий важную роль в восстановлении повреждений ДНК. Мутации в гомологе WRN D. melanogaster также вызывают усиление физиологических признаков старения, таких как более короткая продолжительность жизни, более высокая заболеваемость опухолями, дегенерация мышц, снижение способности лазать, изменение поведения и снижение двигательной активности.

Самки

Спаривание в неволе.

Самки становятся восприимчивыми к ухаживанию за самцами примерно через 8–12 часов после вылупления. Было обнаружено, что определенные группы нейронов у женщин влияют на поведение совокупления и выбор партнера. Одна такая группа в брюшном нервном канатике позволяет самке мухи приостанавливать движения своего тела для совокупления. Активация этих нейронов побуждает самку прекращать движение и ориентироваться на самца, чтобы позволить себе сесть. Если группа неактивна, самка остается в движении и не совокупляется. Различные химические сигналы, такие как мужские феромоны, часто могут активировать группу.

Также самки демонстрируют копирование выбора партнера . Когда девственным самкам показывают других самок, совокупляющихся с определенным типом самцов, они, как правило, больше потом совокупляются с этим типом самцов, чем наивные самки (которые не наблюдали спаривания других). Такое поведение чувствительно к условиям окружающей среды, и самки реже совокупляются в плохих погодных условиях.

Самцы

Ухаживающее поведение у самца. Самец сначала демонстрировал разгибание крыльев (стадия 1), а затем другие шаги, такие как сгибание живота (стадия 2), затем частые попытки совокупления, облизывания и даже эякуляции (стадия 3), наконец, самец упал и был на спине (4 этап)

Самцы D. melanogaster демонстрируют сильную кривую репродуктивного обучения. То есть с сексуальным опытом эти мухи имеют тенденцию изменять свое будущее брачное поведение множеством способов. Эти изменения включают повышенную избирательность ухаживания только внутривидового характера, а также сокращение времени ухаживания .

Сексуально наивные самцы D. melanogaster, как известно, проводят много времени в межвидовых ухаживаниях, например, за мухами D. simulans . Наивный D. melanogaster также будет пытаться ухаживать за самками, которые еще не достигли половой зрелости, и за другими самцами. Самцы D. melanogaster практически не предпочитают самок D. melanogaster самкам других видов или даже другим самцам мух. Однако после того, как D. simulans или другие неспособные к совокуплению мухи отвергли ухаживания самцов, самцы D. melanogaster с гораздо меньшей вероятностью в будущем будут тратить время на неспецифические ухаживания. Это очевидное усвоенное изменение поведения кажется эволюционно значимым, поскольку позволяет самцам избегать инвестирования энергии в бесполезные половые контакты.

Кроме того, самцы с предыдущим сексуальным опытом изменяют свой танец ухаживания при попытке спариться с новыми самками - опытные самцы тратят меньше времени на ухаживание, поэтому имеют более низкую латентность спаривания, а это означает, что они могут воспроизводиться быстрее. Эта уменьшенная задержка спаривания приводит к большей эффективности спаривания для опытных самцов по сравнению с наивными самцами. Эта модификация также имеет очевидные эволюционные преимущества, поскольку повышенная эффективность спаривания чрезвычайно важна в глазах естественного отбора .

Многоженство

И самцы, и самки D. melanogaster действуют полигамно (имея одновременно несколько половых партнеров). Как у самцов, так и у самок полигамия приводит к снижению вечерней активности по сравнению с девственными мухами, причем больше у самцов, чем у самок. Вечерняя деятельность состоит из тех, в которых мухи участвуют, помимо спаривания и поиска партнеров, например, в поисках пищи. Репродуктивный успех самцов и самок различается, потому что самке нужно спариться только один раз, чтобы достичь максимальной плодовитости. Спаривание с несколькими партнерами не дает никаких преимуществ по сравнению со спариванием с одним партнером, поэтому самки не проявляют никакой разницы в вечерней активности между полигамными и моногамными особями. Однако для самцов спаривание с несколькими партнерами увеличивает их репродуктивный успех за счет увеличения генетического разнообразия их потомства. Это преимущество генетического разнообразия является эволюционным преимуществом, поскольку оно увеличивает вероятность того, что некоторые из потомков будут иметь черты, повышающие их приспособленность к окружающей среде.

Разницу в вечерней активности полигамных и моногамных самцов мух можно объяснить ухаживанием. Для полигамных мух их репродуктивный успех увеличивается, если у потомства несколько партнеров, и поэтому они тратят больше времени и энергии на ухаживание за несколькими самками. С другой стороны, моногамные мухи ухаживают только за одной самкой и тратят на это меньше энергии. Хотя самцам мух требуется больше энергии, чтобы ухаживать за несколькими самками, общие репродуктивные преимущества, которые он дает, сделали полигамию предпочтительным сексуальным выбором.

Механизм, который влияет на поведение ухаживания у Drosophila , контролируется осцилляторными нейронами DN1 и LND. Было обнаружено, что колебания нейронов DN1 вызываются социосексуальными взаимодействиями и связаны со снижением вечерней активности, связанным со спариванием.

Модельный организм в генетике

D. melanogaster остается одним из наиболее изученных организмов в биологических исследованиях, особенно в генетике и биологии развития. Он также используется в исследованиях мутагенеза в окружающей среде.

История использования в генетическом анализе

Альфред Sturtevant «s дрозофилы генетическая связь Карта: Это было первое успешное картирование гена работы и предоставляет важные доказательства для хромосомной теории наследственности . На карте показано взаимное расположение аллельных характеристик на второй хромосоме дрозофилы . Расстояние между генами (единицы карты) равно проценту случаев кроссинговера, которые происходят между разными аллелями.

D. melanogaster был одним из первых организмов, использованных для генетического анализа , и сегодня он является одним из наиболее широко используемых и генетически наиболее известных из всех эукариотических организмов. Все организмы используют общие генетические системы; Следовательно, понимание процессов, таких как транскрипция и репликация у плодовых мушек, помогает понять эти процессы у других эукариот, включая человека .

Томас Хант Морган начал использовать плодовых мушек в экспериментальных исследованиях наследственности в Колумбийском университете в 1910 году в лаборатории, известной как «Комната мух». В комнате для полета было тесно с восемью партами, каждый из которых был занят учениками и их экспериментами. Они начали эксперименты с использованием бутылочек с молоком для выращивания плодовых мушек и ручных линз для наблюдения за их особенностями. Позже линзы были заменены микроскопами, что улучшило их наблюдения. Морган и его ученики в конечном итоге выяснили многие основные принципы наследственности, включая наследование, сцепленное с полом, эпистаз , множественные аллели и картирование генов .

D. melanogaster исторически использовался в лабораториях для изучения генетики и закономерностей наследования. Однако D. melanogaster также играет важную роль в исследованиях мутагенеза в окружающей среде, позволяя исследователям изучать эффекты конкретных мутагенов окружающей среды.

Причины использования в лабораториях

Множественные мутанты D. melanogaster (по часовой стрелке сверху): карие глаза и черная кутикула (2 мутации), глаза цвета киновари и кутикула дикого типа (1 мутация), глаза цвета сепии и кутикула черного дерева, красные глаза и желтая кутикула, белые глаза и кутикула желтого типа, дикий тип глаза и желтая кутикула.

Есть много причин, по которым плодовая мушка является популярным выбором в качестве модельного организма:

  • Его уход и выращивание требуют небольшого оборудования, места и затрат даже при использовании больших культур.
  • Его можно безопасно и легко анестезировать (обычно эфиром , углекислым газом, охлаждением или такими продуктами, как FlyNap ).
  • Его морфологию легко определить после наркоза.
  • У него короткое время генерации (около 10 дней при комнатной температуре), поэтому несколько поколений можно изучить в течение нескольких недель.
  • Обладает высокой плодовитостью (самки откладывают до 100 яиц в день, а возможно, и 2000 за всю жизнь).
  • Самцов и самок легко отличить, а девственных самок легко изолировать, что облегчает генетическое скрещивание.
  • У зрелой личинки в слюнных железах есть гигантские хромосомы, которые называются политенными хромосомами , «пуфами», которые указывают на участки транскрипции, а значит, и на активность гена. Недостаточная репликация рДНК приводит к образованию только 20% ДНК по сравнению с мозгом. Сравните с 47% меньше рДНК в яичниках Sarcophaga barbata .
  • У него всего четыре пары хромосом - три аутосомы и одна пара половых хромосом .
  • Самцы не демонстрируют мейотическую рекомбинацию , что облегчает генетические исследования.
  • Рецессивные летальные « балансирующие хромосомы », несущие видимые генетические маркеры, могут использоваться для сохранения запасов летальных аллелей в гетерозиготном состоянии без рекомбинации из-за множественных инверсий в балансировщике.
  • Развитие этого организма - от оплодотворенной яйцеклетки до взрослой особи - хорошо изучено.
  • Методы генетической трансформации доступны с 1987 года.
  • Его полный геном был секвенирован и впервые опубликован в 2000 году.
  • Можно легко создать сексуальную мозаику, которая станет дополнительным инструментом для изучения развития и поведения этих мух.

Генетические маркеры

D. Melanogaster, который несет аллель Cy (справа), следовательно, демонстрирует характерный фенотип вьющихся крыльев у взрослых птиц.

Генетические маркеры обычно используются в исследованиях дрозофилы , например, в балансирующих хромосомах или вставках Р-элементов, и большинство фенотипов легко идентифицируются либо невооруженным глазом, либо под микроскопом. В приведенном ниже списке нескольких общих маркеров за символом аллеля следует название затронутого гена и описание его фенотипа. (Примечание: рецессивные аллели пишутся строчными буквами, а доминантные - заглавными.)

  • Cy 1 : Кудрявый; крылья выгнуты от тела, полет может быть несколько затруднен
  • e 1 : черное дерево; черное тело и крылья (гетерозиготы также заметно темнее дикого типа)
  • Сб 1 : щетина; щетина короче и толще, чем у дикого типа
  • w 1 : белый ; глаза лишены пигментации и кажутся белыми
  • чб: коричневый; Цвет глаз определяется сочетанием различных пигментов.
  • y 1 : желтый; пигментация тела и крылья кажутся желтыми, летучий аналог альбинизма

Классические генетические мутации

Гены дрозофилы традиционно называют по фенотипу, который они вызывают при мутации. Например, отсутствие определенного гена у дрозофилы приведет к появлению мутантного эмбриона, у которого не разовьется сердце. Ученые назвали этот ген оловянным человеком в честь одноименного персонажа из страны Оз . Аналогичным образом изменения в гене Shavenbaby вызывают потерю дорсальных кутикулярных волосков у личинок Drosophila sechellia . Эта система номенклатуры приводит к более широкому диапазону названий генов, чем у других организмов.

  • Adh : алкогольдегидрогеназа - Drosophila melanogaster может выражать мутацию алкогольдегидрогеназы ( ADH ), тем самым предотвращая распад токсичных уровней спиртов на альдегиды и кетоны. В то время как этанол, производимый гниющими фруктами, является естественным источником пищи и местом для откладки яиц дрозофилы при низких концентрациях (<4%), высокие концентрации этанола могут вызывать окислительный стресс и алкогольную интоксикацию . Пригодность дрозофилы повышается за счет потребления этанола в низкой концентрации. Первоначальное воздействие этанола вызывает гиперактивность, за которой следует нарушение координации движений и седативный эффект. Дальнейшие исследования показали, что антиоксидант альфа-кетоглутарат может способствовать снижению окислительного стресса, вызываемого употреблением алкоголя. Исследование, проведенное в 2016 году, показало, что добавление к пище 10 мМ альфа-кетоглутарата со временем снижает чувствительность дрозофилы к алкоголю. Для гена, кодирующего ADH, известно 194 классических аллеля и аллеля вставки. Два аллеля, которые обычно используются для экспериментов, связанных с токсичностью этанола и реакцией на него, - это ADH s (медленный) и ADH F (быстрый). Многочисленные эксперименты показали, что эти два аллеля объясняют различия в ферментативной активности каждого из них. При сравнении гомозигот Adh-F (дикий тип) и Adh-нулей (гомозиготный нулевой) исследование показало, что Adh-null имеют более низкий уровень толерантности к этанолу, начиная процесс интоксикации раньше, чем его противоположный партнер. Другие эксперименты также пришли к выводу, что аллель Adh является гаплодостаточным. Гаплодостаточность означает, что наличие одного функционирующего аллеля будет достаточным для создания фенотипов, необходимых для выживания. Это означает, что мухи, которые были гетерозиготными по аллелю Adh (одна копия нулевого аллеля Adh и одна копия аллеля дикого типа Adh) давали очень похожую фенотипическую устойчивость к алкоголю, что и гомозиготные доминантные мухи (две копии аллеля Adh дикого типа). Независимо от генотипа, Drosophila демонстрирует отрицательный ответ на воздействие образцов с содержанием этанола выше 5%, что делает любую толерантность неадекватной, что приводит к летальной дозе и уровню смертности около 70%. У дрозофилы реакция на этанол во многом такая же, как у людей. Низкие дозы этанола вызывают гиперактивность, умеренные - нарушение координации движений, а высокие - седативный эффект ». .
  • b: black - Черная мутация была обнаружена в 1910 году Томасом Хантом Морганом . Черная мутация приводит к более темному окрашиванию тела, крыльев, жилок и сегментов ноги плодовой мушки. Это происходит из-за неспособности мух вырабатывать бета-аланин , бета-аминокислоту. Фенотипическое выражение этой мутации варьируется в зависимости от генотипа человека; например, независимо от того, является ли образец гомозиготным или гетерозиготным, в результате получается более темный или менее темный вид. Эта генетическая мутация является х-сцепленной рецессивной .
  • bw: brown - Мутация карих глаз возникает из-за неспособности производить или синтезировать птеридиновые (красные) пигменты из-за точечной мутации на хромосоме II. Когда мутация гомозиготна, птеридиновые пигменты не могут быть синтезированы, потому что в начале птеридинового пути дефектный фермент кодируется гомозиготными рецессивными генами. В целом, мутации в пути птеридина приводят к более темному цвету глаз, следовательно, результирующий цвет биохимического дефекта пути птеридина становится коричневым.
  • m: miniature - Одна из первых записей о миниатюрной мутации крыльев была сделана Томасом Хантом Морганом в 1911 году. Он описал крылья как имеющие форму, аналогичную фенотипу дикого типа. Однако их миниатюрное обозначение относится к длине их крыльев, которые не выходят за пределы их тела и, таким образом, заметно короче длины дикого типа. Он также отметил, что его наследование связано с полом мухи и может сочетаться с наследованием других определяемых полом черт, таких как белые глаза. Крылья могут также демонстрировать другие характеристики, отличные от крыльев дикого типа, такие как более тусклый и мутный цвет. Миниатюрные крылья в 1,5 раза короче, чем у дикого типа, но, как полагают, имеют такое же количество клеток. Это происходит из-за отсутствия полного уплощения этими ячейками, из-за чего общая структура крыла кажется короче по сравнению с ними. Путь экспансии крыла регулируется сигнальным путем, где нейрогормон бурсикон взаимодействует со своим комплементарным рецептором, связанным с G-белком; этот рецептор управляет одной из субъединиц G-белка, чтобы сигнализировать о дальнейшей активности фермента и приводит к развитию в крыле, например апоптозу и росту.
  • se: sepia - цвет глаз коричневый. Оммохромы (коричневый) и дрозоптерины (красный) ответственны за типичный цвет глаз Drosophila melanogaster . Эти мутации происходят на третьей хромосоме. Из-за неспособности сепии вырабатывать фермент птеридин, ответственный за красную пигментацию, они не могут отображать красную окраску глаз и вместо этого имеют коричневую окраску, как упоминалось ранее. При вязке с диким типом мухи с красными глазами будут преобладать над глазами цвета сепии. Затем они классифицируются как рецессивные мутации и могут возникнуть только в том случае, если обе хромосомы содержат ген сепии глаз. Глаза цвета сепии не зависят от пола мухи. Цвет глаз Сепия снижает сексуальную активность у мужчин и влияет на предпочтения женщин ».
  • v: киноварь - Киноварь по цвету глаз по сравнению с D. melanogaster дикого типа - ярко- красный. Мутант по цвету глаз киноварь является сцепленным с полом рецессивным геном из-за отсутствия коричневого пигмента для глаз. Красный пигмент расположен на Х-хромосоме. Синтез коричневого пигмента происходит из-за процесса превращения триптофана в кинуренин, киноварь лишена способности преобразовывать эти аминокислоты, блокируя производство коричневого пигмента. Снижение количества триптофана, превращенного в кинуренин у мутантов киноварь, было связано с более продолжительной продолжительностью жизни по сравнению с мухами дикого типа.
Тройной мутант самца плодовой мухи ( Drosophila melanogaster) с мутациями черного тела, рудиментарных крыльев и карих глаз.
  • vg: рудиментарный - спонтанная мутация, обнаруженная в 1919 году Томасом Морганом и Кэлвином Бриджесом. Рудиментарные крылья - это те крылья, которые не полностью развиты и утратили функцию. С момента открытия рудиментарного гена у Drosophila melanogaster было много открытий рудиментарного гена у других позвоночных и их функций у позвоночных. Рудиментарный ген считается одним из наиболее важных генов формирования крыльев, но когда он становится чрезмерно выраженным, начинают формироваться эктопические крылья. Рудиментарный ген регулирует экспрессию имагинальных дисков крыльев у эмбриона, а вместе с другими генами регулирует развитие крыльев. Мутировавший рудиментарный аллель удаляет важную последовательность ДНК, необходимую для правильного развития крыльев.
  • w: white - Drosophila melanogaster дикого типа обычно имеет кирпично-красный цвет глаз. Мутация белого глаза у плодовых мушек вызвана отсутствием двух пигментов, связанных с красными и карими цветами глаз; перидины (красный) и оммохромы (коричневый). В январе 1910 года Томас Хант Морган впервые открыл ген white и обозначил его как w . Открытие Морганом мутации белого глаза положило начало генетическим экспериментам и анализу Drosophila melanogaster. В конце концов Хант обнаружил, что ген следует аналогичной схеме наследования, связанной с мейотической сегрегацией Х-хромосомы. Он обнаружил, что ген был расположен на Х-хромосоме с этой информацией. Это привело к открытию сцепленных с полом генов, а также к открытию других мутаций у Drosophila melanogaster. Мутация белого глаза приводит к ряду недостатков у мух, таким как снижение способности лазать, сокращение продолжительности жизни и снижение устойчивости к стрессу по сравнению с мухами дикого типа. Drosophila melanogaster обладает рядом способов спаривания, которые позволяют им совокупляться в определенных условиях и, следовательно, способствуют их приспособленности. После открытия Морганом мутации белого глаза, связанной с полом, исследование, проведенное Стертевантом (1915), пришло к выводу, что белоглазые самцы менее успешны, чем самцы дикого типа, с точки зрения спаривания с самками. Было обнаружено, что чем больше плотность пигментации глаз, тем больше у самцов Dr osophila melanogaster успеха в спаривании .
  • y: yellow - Ген yellow представляет собой генетическую мутацию, известную как Dmel \ y в широко используемой базе данных FlyBase . Эту мутацию легко идентифицировать по атипичному желтому пигменту, наблюдаемому в кутикуле взрослых мух и ротовой полости личинки. Мутация y включает следующие фенотипические классы: мутанты, которые демонстрируют полную потерю пигментации кутикулы (y-тип), и другие мутанты, которые демонстрируют мозаичный рисунок пигмента с некоторыми участками кутикулы (дикий тип, y2-тип). Роль гена yellow разнообразна и отвечает за изменения в поведении, репродуктивное созревание в зависимости от пола и эпигенетическое перепрограммирование. Ген y - идеальный ген для изучения, так как он заметно ясен, когда у организма есть этот ген, что упрощает понимание передачи ДНК потомству.


Крыло дикого типа (слева) против миниатюрного крыла (справа)

Геном

Геномная информация
Drosophila-chromosome-diagram.jpg
Хромосомы D. melanogaster в масштабе со ссылками на пары мегабаз, ориентированные, как в базе данных Национального центра биотехнологической информации , расстояния до сантиморганов являются приблизительными и оцениваются по местоположению выбранных картированных локусов.
Идентификатор генома NCBI 47
Плоидность диплоид
Количество хромосом 8
Год окончания 2015 г.

Геном из дрозофилы (секвенирован в 2000 году, и курировал в FlyBase базе данных) содержит четыре пары хромосом - к X / Y пару и три аутосом меченых 2, 3 и 4. Четвертой хромосомы является относительно очень мала и , следовательно , часто игнорируется, за исключением важного гена отсутствия глаз . Дрозофилы секвенировали геном 139,5 млн пар оснований был аннотированный и содержит около 15682 генов в соответствии с ансамблем выпуска 73. Более 60% генома , как представляется, функционально небелковой кодирующей ДНК , участвует в регуляции экспрессии генов. Определение пола у Drosophila происходит по соотношению X: A хромосом X к аутосомам, а не из-за наличия Y-хромосомы, как при определении пола человека. Хотя Y-хромосома полностью гетерохроматична , она содержит по крайней мере 16 генов, многие из которых, как считается, имеют мужские функции.

Существует три ортолога трансферрина , все из которых резко отличаются от тех, что известны в хордовых моделях.

Сходство с людьми

Исследование, проведенное в марте 2000 г. Национальным институтом исследования генома человека, по сравнению генома плодовой мухи и человека показало, что около 60% генов сохраняются между двумя видами. Около 75% известных генов болезней человека имеют распознаваемое совпадение в геноме плодовых мушек, а 50% последовательностей белков мух имеют гомологи млекопитающих. Онлайн-база данных под названием Homophila доступна для поиска гомологов генов болезней человека у мух и наоборот.

Дрозофила используется в качестве генетической модели для нескольких заболеваний человека, включая нейродегенеративные расстройства Паркинсона , Хантингтона , спиноцеребеллярную атаксию и болезнь Альцгеймера . Муха также используется для изучения механизмов старения и окислительного стресса , иммунитета , диабета и рака , а также злоупотребления наркотиками .

Коннектом

Дрозофила - одно из немногих животных ( еще одно - C. elegans ), у которых доступны подробные нейронные цепи ( коннектом ).

Коннектом высокого уровня на уровне отделов мозга и взаимосвязанных трактов нейронов существует для полноценного мозга мух. Версия этого доступна в Интернете.

Подробные коннектомы на уровне контуров существуют для пластинки и столба мозгового вещества , как в зрительной системе плодовой мушки, так и в альфа-доле грибовидного тела.

В мае 2017 года в статье, опубликованной в bioRxiv, были представлены стопки изображений, полученных с помощью электронной микроскопии, всего головного мозга взрослой женщины с синаптическим разрешением. Том доступен для разреженного отслеживания выбранных цепей.

В 2020 году был выпущен плотный коннектом половины центрального мозга дрозофилы , а также веб-сайт, который позволяет запрашивать и исследовать эти данные. Затем последовали методы, использованные для реконструкции и первоначального анализа коннектома.

Разработка

Жизненный цикл этого насекомого делится на четыре стадии: оплодотворенное яйцо, личинка, куколка и взрослая особь.

Эмбриогенез у дрозофилы широко изучен, так как его небольшой размер, короткое время генерации и большой размер выводка делают его идеальным для генетических исследований. Он также уникален среди модельных организмов тем, что расщепление происходит в синцитии .

Дрозофилы оогенез

Во время оогенеза цитоплазматические мостики, называемые «кольцевыми каналами», соединяют формирующийся ооцит с питательными клетками. Питательные вещества и молекулы, контролирующие развитие, перемещаются из клеток-медсестер в ооцит. На рисунке слева видно, что формирующийся ооцит покрыт поддерживающими фолликулами клетками.

После оплодотворения ооцита ранний эмбрион (или синцитиальный эмбрион ) подвергается быстрой репликации ДНК и 13 ядерным делениям до тех пор, пока в неразделенной цитоплазме эмбриона не накопится примерно 5000-6000 ядер. К концу восьмого деления большинство ядер переместилось на поверхность, окружая желточный мешок (оставив после себя только несколько ядер, которые станут ядрами желтка). После 10-го деления полюсные клетки формируются на заднем конце эмбриона, отделяя зародышевую линию от синцития. Наконец, после 13-го деления клеточные мембраны медленно инвагинируют, деля синцитий на отдельные соматические клетки. По завершении этого процесса начинается гаструляция .

Ядерное деление в раннем эмбрионе дрозофилы происходит так быстро, что не существует надлежащих контрольных точек, поэтому при делении ДНК могут быть сделаны ошибки. Чтобы обойти эту проблему, ошибочные ядра отделяются от центросом и попадают в центр эмбриона (желточный мешок), который не является частью мухи.

Генная сеть (транскрипционные и белковые взаимодействия), управляющая ранним развитием эмбриона плодовой мушки, является одной из наиболее изученных генных сетей на сегодняшний день, особенно формирование паттерна вдоль переднезадней (AP) и дорсовентральной (DV) осей (см. Раздел морфогенез ).

Эмбрион претерпевает хорошо описанные морфогенетические движения во время гаструляции и раннего развития, включая расширение зародышевого пояса, образование нескольких борозд, вентральную инвагинацию мезодермы и заднюю и переднюю инвагинацию энтодермы (кишечника), а также обширную сегментацию тела до тех пор, пока, наконец, не произойдет. вылупление из окружающей кутикулы в личинку первого возраста.

Во время развития личинки ткани, известные как имагинальные диски, растут внутри личинки. Имагинальные диски образуют большинство структур взрослого тела, такие как голова, ноги, крылья, грудная клетка и гениталии. Клетки имагинальных дисков откладываются во время эмбриогенеза и продолжают расти и делиться на личиночных стадиях - в отличие от большинства других клеток личинки, которые дифференцировались для выполнения специализированных функций и роста без дальнейшего деления клеток. При метаморфозе личинка образует куколку , внутри которой ткани личинки реабсорбируются, а имагинальные ткани подвергаются обширным морфогенетическим движениям с образованием взрослых структур.

Пластичность развития

Биотические и абиотические факторы, возникающие во время развития, будут влиять на распределение ресурсов развития, приводя к фенотипической изменчивости , также называемой пластичностью развития. Как и у всех насекомых, факторы окружающей среды могут влиять на несколько аспектов развития у Drosophila melanogaster . У плодовых мушек, выращенных в условиях гипоксии, уменьшилась длина грудной клетки, в то время как гипероксия приводит к уменьшению летных мускулов, что свидетельствует о негативном влиянии экстремального уровня кислорода на развитие. Циркадные ритмы также подвержены пластичности развития. Световые условия во время развития влияют на повседневную активность Drosophila melanogaster , когда мухи, выращенные в постоянной темноте или на свету, менее активны, чем взрослые особи, чем мухи, выращенные при 12-часовом цикле свет / темнота.

Температура - один из наиболее распространенных факторов, влияющих на развитие членистоногих . У Drosophila melanogaster пластичность развития, обусловленная температурой, может быть полезной и / или вредной. Чаще всего более низкие температуры развития снижают скорость роста, что влияет на многие другие физиологические факторы. Например, развитие при 25 ° C увеличивает скорость ходьбы, широту тепловых характеристик и территориальный успех, тогда как развитие при 18 ° C увеличивает массу тела, размер крыльев, все это связано с физической подготовкой. Более того, развитие при определенных низких температурах дает пропорционально большие крылья, которые улучшают летные и репродуктивные характеристики при таких же низких температурах ( см. Акклиматизацию ).

В то время как некоторые эффекты температуры развития, такие как размер тела, необратимы при эктотермиях , другие могут быть обратимыми. Когда Drosophila melanogaster развивается при низких температурах, у них будет более высокая устойчивость к холоду, но если выращиваемые на холоде мухи содержатся при более высоких температурах, их устойчивость к холоду снижается, а устойчивость к теплу со временем увеличивается. Поскольку насекомые обычно спариваются только в определенном диапазоне температур, их устойчивость к холоду / жаре является важной чертой для максимального увеличения репродуктивной способности.

Хотя ожидается, что описанные выше черты будут одинаково проявляться у разных полов, температура развития также может оказывать влияние на пол у взрослых особей D. melanogaster .

  • Самки - количество овариол значительно зависит от температуры развития D. melanogaster. На размер яйца также влияет температура развития, и он усугубляется, когда оба родителя развиваются при высоких температурах ( см. Материнский эффект ). Под воздействием стрессовых температур эти структуры будут развиваться до меньших конечных размеров и уменьшать репродуктивную способность самок. Ранняя плодовитость (общее количество яиц, отложенных в первые 10 дней после эклозии ) максимальна при выращивании при 25 ° C (по сравнению с 17 ° C и 29 ° C) независимо от температуры взрослых особей. В широком диапазоне температур развития самки, как правило, более терпимы к жаре, чем самцы.
  • Самцы. Стрессовые температуры развития вызывают бесплодие у самцов D. melanogaster ; хотя верхний предел температуры можно увеличить, поддерживая штаммы при высоких температурах ( см. акклиматизацию ). Мужское бесплодие может быть обратимым, если взрослые особи вернутся к оптимальной температуре после развития при стрессовых температурах. Самцы мух меньше по размеру и более успешно защищают места кормления / откладки яиц при выращивании при температуре 25 ° C по сравнению с 18 ° C; таким образом, более мелкие самцы будут иметь больший успех спаривания и репродуктивную продуктивность.

Определение пола

Мухи дрозофилы имеют как X-, так и Y-хромосомы, а также аутосомы . В отличие от людей, Y-хромосома не придает мужественности; скорее, он кодирует гены, необходимые для образования сперматозоидов. Вместо этого пол определяется соотношением Х-хромосом и аутосом. Кроме того, каждая клетка «решает», быть ли ей мужчиной или женщиной независимо от остального организма, что приводит к случайному появлению гинандроморфов .

Х-хромосомы Аутосомы Соотношение X: A Секс
XXXX AAAA 1 Нормальная женщина
XXX AAA 1 Нормальная женщина
XXY AA 1 Нормальная женщина
XXYY AA 1 Нормальная женщина
XX AA 1 Нормальная женщина
XY AA 0,50 Нормальный мужчина
Икс AA 0,50 Нормальный кобель (стерильный)
XXX AA 1,50 Метафамал
XXXX AAA 1,33 Метафамал
XX AAA 0,66 Интерсекс
Икс AAA 0,33 Metamale

В определении пола дрозофилы участвуют три основных гена . Они смертельны для секса, лишены сестер и невозмутимы . Deadpan - это аутосомный ген, который подавляет сексуальный летальный исход , в то время как без сестринский ген переносится на X-хромосоме и подавляет действие deadpan . У AAX-клетки в два раза больше невозмутимости, чем у бессестринской клетки , поэтому секс-летальность будет подавлена, создавая самца. Тем не менее, клетка AAXX будет производить достаточно бессестринских клеток, чтобы подавить действие deadpan , позволяя транскрибировать смертельный для секса ген, чтобы создать самку.

Позже исчезает контроль невозмутимости и отсутствия сестер, и что становится важным, так это форма полового смертельного гена. Вторичный промотор вызывает транскрипцию как у мужчин, так и у женщин. Анализ кДНК показал, что разные формы экспрессируются у мужчин и женщин. Было показано, что сексуально-летальный эффект влияет на сплайсинг собственной мРНК . У мужчин включен третий экзон, который кодирует стоп-кодон , вызывая образование усеченной формы. В женской версии наличие смертельного для секса приводит к тому, что этот экзон пропускается; остальные семь аминокислот образуются в виде полной пептидной цепи, что опять же дает различие между самцами и самками.

Присутствие или отсутствие функциональных летальных для секса белков теперь влияет на транскрипцию другого белка, известного как даблсекс. В отсутствие летального исхода для секса при двойном сексе будет удален четвертый экзон и будет транслироваться до экзона 6 (DSX-M [ale]) включительно, в то время как в его присутствии четвертый экзон, кодирующий стоп-кодон, будет производить усеченную версию. белка (DSX-F [emale]). DSX-F вызывает транскрипцию белков 1 и 2 желтка в соматических клетках, которые будут закачиваться в ооцит при его производстве.

Иммунитет

MELANOGASTER D. Система иммунитета можно разделить на две ответов: гуморальный и клеточно-опосредованный. Первый из них представляет собой системный ответ, в значительной степени опосредованный путями Toll и Imd , которые представляют собой параллельные системы для обнаружения микробов. Другие пути, включая пути стрессовой реакции JAK-STAT и P38 , передачу сигналов питания через FOXO и передачу сигналов гибели клеток JNK , все участвуют в ключевых физиологических ответах на инфекцию. D. melanogaster имеет жировое тело , аналогичное человеческой печени. Жировое тело является основным секреторным органом и при инфекции вырабатывает ключевые иммунные молекулы, такие как сериновые протеазы и антимикробные пептиды (AMP). АМП секретируются в гемолимфу и связывают инфекционные бактерии и грибы, убивая их, образуя поры в их клеточных стенках или подавляя внутриклеточные процессы. Вместо этого клеточный иммунный ответ относится к прямой активности клеток крови (гемоцитов) у дрозофилы , которые аналогичны моноцитам / макрофагам млекопитающих. Гемоциты также играют важную роль в опосредовании гуморальных иммунных ответов, таких как реакция меланизации .

Иммунный ответ на инфекцию может включать до 2423 генов, или 13,7% генома. Хотя транскрипционная реакция мух на микробную нагрузку высокоспецифична для отдельных патогенов, дрозофила по- разному экспрессирует основную группу из 252 генов при заражении большинством бактерий. Эта основная группа генов связана с категориями онтологии генов, такими как антимикробный ответ, стрессовая реакция, секреция, нейроноподобность, репродукция и метаболизм. Дрозофила также обладает несколькими иммунными механизмами, которые формируют микробиоту и предотвращают чрезмерные иммунные реакции при обнаружении микробных стимулов. Например, секретируемые PGRP с активностью амидазы улавливают и разрушают иммуностимулирующий PGN типа DAP, чтобы блокировать активацию Imd.

В отличие от млекопитающих, у дрозофилы есть врожденный иммунитет, но отсутствует адаптивный иммунный ответ. Однако основные элементы этого врожденного иммунного ответа сохраняются между людьми и плодовыми мушками. В результате плодовая мушка предлагает полезную модель врожденного иммунитета для разграничения генетических взаимодействий сигнальной и эффекторной функций, поскольку мухам не приходится бороться с вмешательством адаптивных иммунных механизмов, которое может запутать результаты. Различные генетические инструменты, протоколы и анализы делают дрозофилу классической моделью для изучения врожденной иммунной системы , которая даже включала иммунные исследования на Международной космической станции.

Платный путь, обнаруженный у плодовой мухи

Drosophila Toll путь

Первое описание Toll-подобных рецепторов, участвующих в ответе на инфекцию, было выполнено на дрозофиле . кульминацией которой стала Нобелевская премия в 2011 году. Путь Toll у Drosophila гомологичен Toll-подобным путям у млекопитающих. Этот регуляторный каскад инициируется после распознавания патогена рецепторами распознавания образов , особенно грамположительными бактериями , паразитами и грибковой инфекцией. Эта активация приводит к сигнальным каскадам сериновой протеазы, в конечном итоге активирующим цитокин Spätzle . С другой стороны, микробные протеазы могут напрямую расщеплять сериновые протеазы, такие как Персефона, которые затем передают сигналы. Цитокин Spatzle затем действует как лиганд для пути Toll у мух. После инфицирования pro-Spatzle расщепляется протеазой SPE (фермент процессинга Spatzle), превращаясь в активный Spatzle, который связывается с рецептором Toll, расположенным на клеточной поверхности жирового тела, и димеризуется для активации нижестоящих сигнальных путей NF-κB , включая домен множественной смерти, содержащий белки и негативные регуляторы, такие как белок кактус с анкириновыми повторами . Этот путь завершается транслокацией дорсальных факторов транскрипции NF-κB и Dif (дорсальный фактор иммунитета) в ядро.

Путь Toll был идентифицирован по его регуляции антимикробных пептидов (AMP), включая противогрибковый пептид дросомицин . При заражении экспрессия AMP увеличивается иногда в 1000 раз, что позволяет безошибочно определять активацию пути. Другая группа Toll-регулируемых AMP-подобных эффекторов включает боманины, которые, по-видимому, ответственны за основную часть Toll-опосредованной иммунной защиты, однако сами боманины не проявляют антимикробной активности.

Было высказано предположение, что второй SPE-подобный фермент аналогичным образом действует для активации Spatzle, поскольку потеря SPE не полностью снижает активность передачи сигналов Toll, однако второй SPE еще не идентифицирован. Ряд сериновых протеаз еще предстоит охарактеризовать, в том числе многие из них гомологичны SPE. Путь Toll также взаимодействует с почечной фильтрацией пептидогликана, полученного из микробиоты, поддерживая иммунный гомеостаз. Механически нефроциты выводят PGN Lys-типа из большого круга кровообращения и направляют его в лизосомы для деградации. Без этого передача сигналов Toll постоянно активируется, что приводит к серьезному истощению запасов питательных веществ и значительному стрессу для физиологии хозяина.

Мухи с дефицитом АМФ (красные глаза) страдают от безудержного роста бактерий (зеленая флуоресценция) после заражения.

Путь Drosophila Imd

Путь Imd ортологичен передаче сигналов суперсемейства человеческих рецепторов TNF и запускается грамотрицательными бактериями через распознавание белками распознавания пептидогликана (PGRP), включая как растворимые рецепторы, так и рецепторы клеточной поверхности (PGRP-LE и LC, соответственно). Передача сигналов Imd достигает кульминации в транслокации фактора транскрипции NF-κB Relish в ядро, что приводит к усилению регуляции Imd-чувствительных генов, включая AMP Diptericin . Следовательно, мухи, дефицитные по AMP, напоминают мутанты пути Imd с точки зрения восприимчивости к бактериальной инфекции. Передача сигналов Imd и Relish, в частности, также вовлечены в регуляцию иммунитета на поверхностном эпителии, в том числе в кишечнике и дыхательных путях.

Фактор транскрипции Relish также вовлечен в процессы, касающиеся пролиферации клеток и нейродегенерации либо посредством аутофагии, либо посредством аутоиммунной токсичности. В нейродегенеративных моделях, основанных на передаче сигналов Imd, экспрессия AMP в головном мозге коррелирует с повреждением ткани мозга, поражениями и, в конечном итоге, смертью. Relish регулируемых АМПЫ , такие как дефенсин и Diptericin также имеют противораковые свойства , способствующие зазор опухоли. Регулируемый Imd AMP диптерицин B также вырабатывается жировым телом, особенно в голове, а диптерицин B необходим для формирования долговременной памяти.

JAK-STAT сигнализация

Множественные элементы сигнального пути JAK-STAT дрозофилы имеют прямую гомологию с генами пути JAK-STAT человека . Передача сигналов JAK-STAT индуцируется при различных стрессах организма, таких как тепловой стресс, обезвоживание или инфекция. Индукция JAK-STAT приводит к продукции ряда белков стрессовой реакции, включая тиоэфир-содержащие белки (TEP), турандот и предполагаемый антимикробный пептид листерицин. Механизмы, посредством которых действуют многие из этих белков, все еще исследуются. Например, TEP, по-видимому, способствуют фагоцитозу грамположительных бактерий и индукции пути Toll. Как следствие, мухи, лишенные TEP, восприимчивы к заражению, вызванным проблемами Toll-пути.

Гемоциты дрозофилы (зеленые), поглощающие бактерии Escherichia coli (красные).

Клеточный ответ на инфекцию

Циркулирующие гемоциты являются ключевыми регуляторами инфекции. Это было продемонстрировано как с помощью генетических инструментов для создания мух, лишенных гемоцитов, так и с помощью инъекций микростекловых шариков или липидных капель, которые повышают способность гемоцитов фагоцитировать вторичную инфекцию. Мухи, обработанные таким образом, не могут фагоцитировать бактерии при заражении и, соответственно, восприимчивы к инфекции. Эти гемоциты возникают в результате двух волн кроветворения , одна происходит в раннем эмбрионе, а другая - во время развития от личинки до взрослой особи. Однако гемоциты дрозофилы не обновляются в течение взрослой жизни, и поэтому у мухи есть конечное количество гемоцитов, которые уменьшаются в течение ее жизни. Гемоциты также участвуют в регуляции событий клеточного цикла и апоптоза аберрантной ткани (например, раковых клеток), продуцируя Eiger, сигнальную молекулу фактора некроза опухоли , которая способствует передаче сигналов JNK и, в конечном итоге, гибели клеток и апоптозу.

Поведенческая генетика и нейробиология

В 1971 году Рон Конопка и Сеймур Бензер опубликовали статью «Clock mutants of Drosophila melanogaster », описывающую первые мутации , повлиявшие на поведение животного. Мухи дикого типа демонстрируют ритм активности с периодичностью около суток (24 часа). Они нашли мутантов с более быстрым и медленным ритмом, а также с нарушенным ритмом - мух, которые движутся и отдыхают случайными рывками. Работа последующих 30 лет показала, что эти мутации (и им подобные) влияют на группу генов и их продукты, которые образуют биохимические или биологические часы . Эти часы находятся в большом количестве клеток мух, но клетки, несущие часы, которые контролируют активность, представляют собой несколько десятков нейронов в центральном мозге мух.

С тех пор Бензер и другие использовали поведенческие экраны для выделения генов, участвующих в зрении, обонянии, слухе, обучении / памяти, ухаживании, боли и других процессах, таких как долголетие.

Следуя новаторской работе Альфреда Генри Стертеванта и других, Бензер и его коллеги использовали сексуальную мозаику для разработки новой техники картирования судеб . Этот метод позволил присвоить определенную характеристику определенному анатомическому месту. Например, этот метод показал, что ухаживание самцов контролируется мозгом. Картирование судьбы мозаики также дало первое указание на существование феромонов у этого вида. Самцы различают особей самцов и самок и направляют постоянные ухаживания преимущественно за самками благодаря специфическому для самок половому феромону, который в основном вырабатывается тергитами самок .

Первые мутанты обучения и памяти ( тупица , брюква и т. Д.) Были выделены Уильямом «Чипом» Куинном в лаборатории Бензера, и в конечном итоге было показано, что они кодируют компоненты внутриклеточного сигнального пути, включающего циклический АМФ , протеинкиназу А и транскрипцию. фактор, известный как CREB. Было показано, что эти молекулы также участвуют в синаптической пластичности у аплизий и млекопитающих.

Нобелевская премия по физиологии и медицине за 2017 год была присуждена Джеффри С. Холл, Майкл Росбаш, Michael W. Young для своих работ с использованием фруктовых мух в понимании «молекулярных механизмов , контролирующих циркадный ритм ».

Самцы мух поют самкам во время ухаживания, используя свои крылья для создания звука, и были охарактеризованы некоторые из генетических особенностей полового поведения. В частности, бесплодный ген имеет несколько различных форм сплайсинга, а самцы мух, экспрессирующие женские формы сплайсинга, ведут себя как самки, и наоборот. Каналы TRP nompC , nanchung и inactive экспрессируются в нейронах чувствительного к звуку органа Джонстона и участвуют в передаче звука. Мутация гена Genderblind , также известного как CG6070, изменяет половое поведение дрозофилы , превращая мух в бисексуалов .

Мухи используют модифицированную версию фильтров Блума для обнаружения новизны запахов с дополнительными функциями, включая сходство нового запаха с запахом ранее испытанных примеров и время, прошедшее с момента предыдущего опыта того же запаха.

Агрессия

Как и в случае с большинством насекомых, агрессивное поведение между самцами мух обычно происходит при ухаживании за самкой и в борьбе за ресурсы. Такое поведение часто связано с поднятием крыльев и ног по направлению к противнику и атакой всем телом. Таким образом, это часто вызывает повреждение крыльев, что снижает их физическую форму, лишая их способности летать и спариваться.

Акустическая связь

Чтобы вызвать агрессию, самцы мух издают звуки, чтобы сообщить о своих намерениях. Исследование 2017 года показало, что песни, пропагандирующие агрессию, содержат импульсы, повторяющиеся с более длинными интервалами. Секвенирование РНК мутантов мух, демонстрирующих чрезмерно агрессивное поведение, обнаружило, что более 50 генов, связанных со слухом (важных для транзиторных рецепторных потенциалов , передачи сигналов Ca 2+ и механорецепторных потенциалов), активируются в нейронах AB, расположенных в органе Джонстона . Кроме того, уровень агрессии снижался, когда эти гены были отключены посредством РНК-интерференции . Это означает, что слух играет важную роль в передаче агрессии.

Передача сигналов феромона

Помимо слуха, другой сенсорной модальностью, регулирующей агрессию, является передача сигналов феромона , которая действует либо через обонятельную систему, либо через вкусовую систему, в зависимости от феромона. Примером является cVA, феромон против афродизиака, используемый самцами для пометки самок после совокупления и для удержания других самцов от спаривания. Этот специфический для мужчин феромон вызывает усиление мужской агрессии при обнаружении вкусовой системой другого мужчины . Однако после вставки мутации, которая делает мух невосприимчивыми к cVA, агрессивного поведения не наблюдалось. Это показывает, что существует несколько способов стимулирования агрессии у мух.

Конкуренция за еду

В частности, при соревновании за еду агрессия возникает в зависимости от количества доступной пищи и не зависит от каких-либо социальных взаимодействий между мужчинами. В частности, было обнаружено , что сахароза стимулирует нейроны вкусовых рецепторов, что необходимо для стимуляции агрессии. Однако, как только количество пищи становится больше определенного, конкуренция между самцами снижается. Возможно, это связано с переизбытком пищевых ресурсов. В более крупном масштабе было обнаружено, что еда определяет границы территории, поскольку мухи наблюдались более агрессивно по ее физическому периметру.

Эффект недосыпания

Однако, как и большинство видов поведения, требующих возбуждения и бодрствования, агрессия снижается из-за недосыпания . В частности, это происходит из-за нарушения передачи сигналов октопамина и дофамина , которые являются важными путями регуляции возбуждения у насекомых. Из-за меньшей агрессии недосыпающие самцы мух оказались в невыгодном положении при спаривании по сравнению с обычными мухами. Однако, когда агонисты октопамина вводили этим недосыпающим мухам, было замечено повышение уровня агрессии и впоследствии восстановление сексуальной пригодности. Таким образом, это открытие подразумевает важность сна в агрессии между самцами мух.

Трансгенез

Теперь относительно просто создать трансгенных мух у Drosophila, используя различные методы. Один из подходов к встраиванию чужеродных генов в геном дрозофилы включает P-элементы. Мобильные P-элементы, также известные как транспозоны , представляют собой сегменты бактериальной ДНК, которые переносятся в геном мухи. Трансгенные мухи уже внесли свой вклад во многие научные достижения, например, в моделирование таких заболеваний человека, как болезнь Паркинсона , неоплазия , ожирение и диабет .

Зрение

Стерео изображения глаза

Соединение глаз дрозофилы содержит 760 единиц глаз или омматидиев , и один из самых передовых среди насекомых. Каждый омматидий содержит восемь фоторецепторных клеток (R1-8), опорные клетки, пигментные клетки и роговицу. Мухи дикого типа имеют красноватые пигментные клетки, которые поглощают излишки синего света, поэтому муха не ослепляется окружающим светом. Гены цвета глаз регулируют клеточный везикулярный транспорт. Ферменты, необходимые для синтеза пигмента, затем транспортируются к гранулам пигмента клетки, которые содержат молекулы-предшественники пигмента.

Каждая фоторецепторная клетка состоит из двух основных частей: тела клетки и рабдомера . Тело клетки содержит ядро , а рабдомер длиной 100 мкм состоит из стопок мембран, которые называются микроворсинками, похожими на зубную щетку . Каждая микроворсинка имеет длину 1-2 мкм и диаметр около 60 нм . Мембрана рабдомера содержит около 100 миллионов молекул родопсина , визуального белка, поглощающего свет. Остальные зрительные белки также плотно упакованы в микровиллярное пространство, оставляя мало места для цитоплазмы .

Фоторецепторы у дрозофилы экспрессируют множество изоформ родопсина . Фоторецепторные клетки R1-R6 экспрессируют родопсин1 (Rh1), который поглощает синий свет (480 нм). Клетки R7 и R8 экспрессируют комбинацию Rh3 или Rh4, которые поглощают УФ-свет (345 нм и 375 нм), и Rh5 или Rh6, которые поглощают синий (437 нм) и зеленый (508 нм) свет, соответственно. Каждая молекула родопсина состоит из белка опсина, ковалентно связанного с каротиноидным хромофором, 11-цис-3-гидроксиретиналем.

Экспрессия родопсина1 (Rh1) в фоторецепторах R1-R6

Как и в зрении позвоночных , зрительная трансдукция у беспозвоночных происходит через G-белок-связанный путь. Однако в позвоночных , то белок G является трансдуцина, тогда как белок G у беспозвоночных является Gq (DGQ в Drosophila ). Когда родопсин (Rh) поглощает фотон света, его хромофор, 11-цис-3-гидроксиретиналь, изомеризуется до полностью транс-3-гидроксиретиналя. Rh претерпевает конформационные изменения в свою активную форму, метародопсин. Метародопсин активирует Gq, который, в свою очередь, активирует фосфолипазу Cβ (PLCβ), известную как NorpA.

PLCβ гидролизует фосфатидилинозит (4,5) -бисфосфат (PIP 2 ), фосфолипид, обнаруженный в клеточной мембране , в растворимый инозитолтрифосфат (IP 3 ) и диацилглицерин (DAG), который остается в клеточной мембране. DAG или производное DAG заставляет кальций- селективный ионный канал, известный как переходный рецепторный потенциал (TRP), открываться, и кальций и натрий поступают в клетку. IP 3 , как полагают , связываются с IP 3 рецепторов в subrhabdomeric цистернами, расширение в эндоплазматической сети , и причиной высвобождения кальция, но этот процесс не представляется существенным для нормального зрения.

Кальций связывается с белками, такими как кальмодулин (CaM) и специфической для глаза протеинкиназой C (PKC), известной как InaC. Эти белки взаимодействуют с другими белками и, как было показано, необходимы для отключения светового ответа. Кроме того, белки, называемые аррестинами, связывают метародопсин и не позволяют ему активировать больше Gq. Теплообменник натрий-кальций известен как окалины перекачивает аут кальция в клетке. Он использует внутренний градиент натрия для экспорта кальция при стехиометрии 3 Na + / 1 Ca ++ .

TRP, InaC и PLC образуют сигнальный комплекс, связывая каркасный белок, называемый InaD. InaD содержит пять связывающих доменов, называемых белками домена PDZ , которые специфически связывают С-концы целевых белков. Нарушение комплекса мутациями в доменах PDZ или в целевых белках снижает эффективность передачи сигналов. Например, нарушение взаимодействия между InaC, протеинкиназой C и InaD приводит к задержке инактивации светового ответа .

В отличие от метародопсина позвоночных, метародопсин беспозвоночных может быть преобразован обратно в родопсин путем поглощения фотона оранжевого света (580 нм).

Около двух третей мозга дрозофилы занято обработкой изображений. Хотя пространственное разрешение их зрения значительно хуже, чем у людей, их временное разрешение примерно в 10 раз лучше.

Уход

Известно, что дрозофилы проявляют поведение по уходу, которое выполняется предсказуемым образом. Дрозофилы последовательно начинают процесс ухода, используя передние лапы, чтобы очистить глаза, затем голову и усики. Используя задние лапы, дрозофила ухаживает за брюшком и, наконец, за крыльями и грудной клеткой. На протяжении всей этой последовательности дрозофилы периодически трутся ногами друг о друга, чтобы избавиться от лишней пыли и мусора, которые накапливаются в процессе ухода.

Было показано, что поведение по уходу выполняется в иерархии подавления. Это означает, что поведение по уходу, которое происходит в начале последовательности, предотвращает одновременное появление тех, которые появляются позже в последовательности, поскольку последовательность ухода состоит из взаимоисключающих действий. Эта иерархия не препятствует возвращению Drosophila к поведению по уходу, к которому уже обращались в последовательности ухода. Считается, что порядок действий по уходу в иерархии подавления связан с приоритетом очистки определенной части тела. Например, глаза и антенны, вероятно, выполняются на ранних этапах ухода за шерстью, чтобы предотвратить вмешательство мусора в функции органов чувств D. melanogaster .

Ходьба

Вид сверху идущей дрозофилы (слева) с отслеживанием ног с помощью DeepLabCut (справа).

Как и многие другие насекомые-гексаподы, дрозофила обычно передвигается со штативом. Это означает, что три ноги качаются вместе, в то время как другие три остаются неподвижными или в стойке. Вариативность конфигурации штатива кажется непрерывной, что означает, что мухи не демонстрируют четких переходов между разными походками. При высоких скоростях ходьбы (15–30 мм / с) конфигурация ходьбы в основном представляет собой штатив (3 ноги в стойке), но при низких скоростях ходьбы (0–15 мм / с) мухи с большей вероятностью будут иметь четыре или пять ног. пример. Эти переходы могут помочь оптимизировать статическую стабильность. Поскольку мухи такие маленькие, силы инерции ничтожны по сравнению с силами упругости их мышц и суставов или силами вязкости окружающего воздуха.

В дополнение к стабильности, устойчивость ходьбы также считается важной для определения походки мухи с определенной скоростью ходьбы. Под устойчивостью понимается то, насколько можно допустить смещение во времени положения ног до того, как муха станет статически нестабильной. Например, крепкая походка может быть особенно важна при движении по неровной местности, так как это может вызвать неожиданные нарушения координации ног. В этом случае надежная походка поможет мухе сохранять устойчивость. Анализ показывает, что Drosophila может демонстрировать компромисс между самой стабильной и самой устойчивой походкой при заданной скорости ходьбы.

Полет

Мухи летают по прямой последовательности движений, перемежающихся быстрыми поворотами, называемыми саккадами. Во время этих поворотов муха может повернуться на 90 ° менее чем за 50 миллисекунд.

В характеристиках полета дрозофилы может преобладать вязкость воздуха, а не инерция тела мухи, но может иметь место противоположный случай с инерцией как доминирующей силой. Однако последующая работа показала, что, хотя вязкое воздействие на тело насекомого во время полета может быть незначительным, аэродинамические силы на самих крыльях фактически вызывают вязкое демпфирование поворотов плодовых мух.

Заблуждения

Дрозофилу иногда называют вредителем из-за ее склонности жить в населенных пунктах, где можно найти ферментирующие фрукты. Мухи могут собираться в домах, ресторанах, магазинах и других местах.

Название и поведение этого вида мух привели к неправильному представлению о том, что это угроза биологической безопасности в Австралии. В то время как другие виды «плодовых мух» действительно представляют опасность, D. melanogaster привлекает плоды, которые уже гниют, а не вызывают гниение.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки