Drosophila melanogaster -Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster
Drosophila melanogaster Proboscis.jpg
Vědecká klasifikace
Království:
Kmen:
Třída:
Objednat:
Rodina:
Rod:
Podrod:
Skupina druhů :
Podskupina druhů :
Komplex druhů :
Komplex Drosophila melanogaster
Druh:
D. melanogaster
Binomické jméno
Drosophila melanogaster
Meigen , 1830

Drosophila melanogaster je druh mouchy (taxonomický řád Diptera) z čeledi Drosophilidae . Tento druh je často označován jako ovocná muška nebo menší ovocná muška , nicméně jeho běžný název je přesněji octová muška . [1] Počínajenávrhem Charlese W. Woodwortha na použití tohoto druhu jako modelového organismu je D. melanogaster nadále široce používán pro biologický výzkum v oblasti genetiky , fyziologie , mikrobiální patogeneze a evoluce životní historie . V roce 2017bylo drosofilistům udělenopět Nobelových cen za jejich práci se zvířetem.

D. melanogaster se obvykle používá ve výzkumu díky rychlému životnímu cyklu, relativně jednoduché genetice s pouhými čtyřmi páry chromozomů a velkému počtu potomků za generaci. Původně to byl africký druh, přičemž všechny neafrické linie měly společný původ. Jeho geografický rozsah zahrnuje všechny kontinenty, včetně ostrovů. D. melanogaster je běžným škůdcem v domácnostech, restauracích a na dalších místech, kde se podává jídlo.

Mouchy patřící do čeledi Tephritidae se také nazývají „ovocné mušky“. To může způsobit zmatek, zejména ve Středomoří, Austrálii a Jižní Africe , kde je středomořská ovocná muška Ceratitis capitata ekonomickým škůdcem.

Fyzický vzhled

Žena (vlevo) a muž (vpravo) D. melanogaster
Pohled shora
Čelní pohled

Ovocné mušky divokého typu jsou žluto-hnědé, s cihlově červenýma očima a příčnými černými kroužky přes břicho. Cihlově červená barva mušek divokého typu je dána dvěma pigmenty: xanthommatinem, který je hnědý a pochází z tryptofanu , a drosopteriny, které jsou červené a jsou odvozeny z guanosin trifosfátu . Vykazují sexuální dimorfismus ; samice jsou asi 2,5 mm (0,10 palce) dlouhé; samci jsou o něco menší s tmavšími zády. Muži jsou snadno odlišit od samic založené na barevných rozdílů, s výrazným černým náplast na břiše, v poslední době se objevily mouchy méně znatelné, a sexcombs (řada tmavých štětin na nártu z první etapy). Kromě toho mají muži shluk špičatých chlupů (clasperů) obklopujících reprodukující se části používané k přichycení k ženě během páření. Rozsáhlé obrázky najdete na FlyBase . Mouchy Drosophila melanogaster cítí proudění vzduchu s chlupy na zádech. Jejich oči jsou citlivé na nepatrné rozdíly v intenzitě světla a instinktivně odletí, když je detekován stín nebo jiný pohyb.

Životní cyklus a reprodukce

Vejce D. melanogaster

Za optimálních růstových podmínek při 25 ° C (77 ° F) je životnost D. melanogaster od vajíčka do smrti asi 50 dní. Vývojové období pro D. melanogaster se mění s teplotou, jako u mnoha ektotermních druhů. Nejkratší doby vývoje (vajíčko dospělému), 7 dní, je dosaženo při 28 ° C (82 ° F). Doby vývoje se snižují při vyšších teplotách (11 dní při 30 ° C nebo 86 ° F) v důsledku tepelného stresu. Za ideálních podmínek je doba vývoje při 25 ° C (77 ° F) 8,5 dne, při 18 ° C (64 ° F) trvá 19 dní a při 12 ° C (54 ° F) více než 50 dní. V přeplněných podmínkách se doba vývoje prodlužuje, zatímco vycházející mouchy jsou menší. Samice kladou asi 400 vajíček (embryí), přibližně pět najednou, do tlejícího ovoce nebo jiného vhodného materiálu, jako jsou rozpadající se houby a mízy . Drosophila melanogaster je holometabolický hmyz, takže prochází plnou metamorfózou. Jejich životní cyklus je rozdělen do 4 fází: embryo, larva, kukla, dospělý. Vejce, která jsou asi 0,5 mm dlouhá, se líhnou po 12–15 hodinách (při 25 ° C nebo 77 ° F). Výsledná Larvy růst po dobu asi 4 dnů (při 25 ° C), zatímco línání dvakrát (na druhém a třetím instaru), při asi 24 a 48 hodin po vylíhnutí. Během této doby se živí mikroorganismy, které rozkládají ovoce, a také cukrem samotného ovoce. Matka ukládá výkaly na vaječné váčky, aby vytvořila stejné mikrobiální složení v útrobách larev, které na ni pozitivně fungovalo. Poté se larvy zapouzdří v pupariu a podstoupí 4denní metamorfózu (při 25 ° C), načež dospělí uzavřou (vynoří se).

Zvuk tlukot srdce Drosophila

Muži provádějí posloupnost pěti vzorců chování k dvorním ženám. Nejprve se muži orientují při hraní námluvné písně horizontálním vysunutím a vibrováním křídel. Brzy poté se muž umístí v zadní části břicha ženy v nízkém postoji, aby poklepal a olízl ženské genitálie. Nakonec si muž stáhne břicho a pokusí se o kopulaci. Samice mohou odmítnout samce tím, že se odstěhují, kopou a vytlačí svého ovipositora. Kopulace trvá přibližně 15–20 minut, během nichž muži přenášejí několik stovek velmi dlouhých (1,76 mm) spermatických buněk v semenné tekutině na samici. Samice uchovávají sperma v tubulární nádobě a ve dvou houbovitých spermathecae ; sperma z více páření soutěží o oplodnění. Předpokládá se, že existuje poslední mužská přednost; poslední samec, který se pářil se samicí, zplodil asi 80% jejích potomků. Bylo zjištěno, že tato priorita nastává jak přemístěním, tak neschopností. Vytěsnění je přičítáno manipulaci se spermatem samicí, protože probíhá několik páření, a je nejvýznamnější během prvních 1–2 dnů po kopulaci. Posun ze semenné schránky je významnější než posun ze spermathecae. Znehybnění první mužské spermie druhou samčí spermií se stane významnou 2–7 dní po kopulaci. Předpokládá se, že za tento mechanismus pracovní neschopnosti (bez odstranění prvních mužských spermií), který se projeví před oplodněním, může semenná tekutina druhého samce . Zpoždění účinnosti mechanismu zneschopnění je považováno za ochranný mechanismus, který brání mužské mušce zneschopnit vlastní sperma, pokud by se opakovaně spářil se stejnou samicí. Senzorické neurony v děloze samice D. melanogaster reagují na mužský protein, sexuální peptid , který se nachází ve spermatu. Díky tomuto proteinu se samice zdráhá kopulovat asi 10 dní po inseminaci . Byla určena signální dráha vedoucí k této změně chování. Signál je odeslán do oblasti mozku, která je homologem hypotalamu a hypotalamus pak ovládá sexuální chování a touhu. Gonadotropní hormony v Drosophile udržují homeostázu a řídí reprodukční produkci prostřednictvím cyklického vzájemného vztahu, na rozdíl od estrálního cyklu savců . Pohlavní peptid narušuje tuto homeostázu a dramaticky posouvá endokrinní stav ženy podněcováním syntézy juvenilních hormonů v corpus allatum.

D. melanogaster se často používá pro studie prodloužení života , například pro identifikaci genů údajně prodlužujících životnost při mutaci . D. melanogaster se také používá při studiích stárnutí . Wernerův syndrom je stav u lidí charakterizovaný zrychleným stárnutím. Je to způsobeno mutacemi v genu WRN, který kóduje protein se zásadní rolí při opravě poškození DNA. Mutace v homologu D. melanogaster WRN také způsobují zvýšené fyziologické známky stárnutí, jako je kratší životnost, vyšší výskyt nádorů, svalová degenerace, snížená schopnost lezení, změněné chování a snížená pohybová aktivita.

Samice

Páření v zajetí.

Samice se stanou vnímavými k dvoření se mužům asi 8–12 hodin po vynoření. Bylo zjištěno, že specifické skupiny neuronů u žen ovlivňují kopulační chování a výběr partnera. Jedna taková skupina v břišní nervové šňůře umožňuje samičí mušce pozastavit pohyby těla a kopulovat. Aktivace těchto neuronů přiměje ženu, aby přestala pohybovat a orientovala se směrem k muži, aby umožnila nasednutí. Pokud je skupina deaktivována, samice zůstává v pohybu a nekopíruje. Skupinu mohou často aktivovat různé chemické signály, jako jsou mužské feromony .

Ženy také kopírují výběr partnera . Když jsou ukázány panenské samice, jiné samice kopulující s určitým typem samce, mají tendenci se později s tímto typem samce kopulovat více než naivní ženy (které kopulaci ostatních nepozorovaly). Toto chování je citlivé na podmínky prostředí a ženy za špatných povětrnostních podmínek méně kopulují.

Muži

Námluvy u muže. Samec nejprve ukázal prodloužení křídla (stupeň 1) a později další kroky, jako ohýbání břicha (stupeň 2), poté časté pokusy o kopulaci, lízání a dokonce i ejakulaci (stupeň 3), nakonec muž spadl a byl na zádech (fáze 4)

Samci D. melanogaster vykazují silnou křivku reprodukčního učení. To znamená, že se sexuální zkušeností tyto mouchy mají tendenci měnit své budoucí chování při páření několika způsoby. Tyto změny zahrnují zvýšenou selektivitu při dvoření pouze v rámci konkrétního druhu a také zkrácení doby námluv .

Sexuálně naivní samci D. melanogaster jsou známí tím, že tráví značnou dobu dvořením se mezidruhově, například s mouchami D. simulans . Naivní D. melanogaster se také pokusí dvořit ženy, které ještě nejsou sexuálně dospělé, a další muže. Samci D. melanogaster vykazují malou nebo žádnou preferenci pro samice D. melanogaster před ženami jiných druhů nebo dokonce jiných mušek. Poté, co D. simulans nebo jiné mušky neschopné kopulace odmítly zálohy samců, je u mužů D. melanogaster mnohem méně pravděpodobné, že v budoucnu budou trávit čas nespecifickým dvořením. Zdá se, že tato zjevná modifikace naučeného chování je evolučně významná, protože umožňuje mužům vyhnout se investování energie do marných sexuálních setkání.

Samci s předchozí sexuální zkušeností navíc upravují svůj námluvní tanec, když se pokoušejí spojit se s novými ženami - zkušení muži tráví méně času namlouváním, takže mají nižší latenci páření, což znamená, že jsou schopni se rychleji rozmnožovat. Tato snížená latence páření vede k vyšší účinnosti páření pro zkušené muže oproti naivním samcům. Zdá se, že tato modifikace má také zjevné evoluční výhody, protože zvýšená účinnost páření je v očích přirozeného výběru nesmírně důležitá .

Mnohoženství

Samci i samice D. melanogaster létají polygamně (mají více sexuálních partnerů současně). U mužů i žen má polygamie za následek pokles večerní aktivity ve srovnání s panenskými muškami, více u mužů než u žen. Večerní činnost se skládá z těch, kterých se mouchy účastní kromě páření a hledání partnerů, jako je hledání potravy. Reprodukční úspěch mužů a žen se liší, protože samice se potřebuje k dosažení maximální plodnosti spářit pouze jednou. Páření s více partnery neposkytuje žádnou výhodu oproti páření s jedním partnerem, takže ženy nevykazují žádný rozdíl ve večerní aktivitě mezi polygamními a monogamními jedinci. U mužů však páření s více partnery zvyšuje jejich reprodukční úspěch zvýšením genetické rozmanitosti jejich potomků. Tato výhoda genetické rozmanitosti je evoluční výhodou, protože zvyšuje šanci, že někteří z potomků budou mít rysy, které zvyšují jejich kondici ve svém prostředí.

Rozdíl ve večerní aktivitě mezi polygamními a monogamními muškami lze vysvětlit námluvami. U polygamních mušek se jejich reprodukční úspěch zvyšuje tím, že mají potomky s více partnery, a proto tráví více času a energie namlouváním více samic. Na druhou stranu, monogamní mouchy dvoří pouze jedné ženě a vydávají tím méně energie. I když to vyžaduje více energie pro mužské mušky k soudu více žen, celkové reprodukční výhody, které produkuje, udržují polygamii jako preferovanou sexuální volbu.

Mechanismus, který ovlivňuje chování při námluvách u Drosophily, je řízen oscilátorovými neurony DN1 a LND. Bylo zjištěno, že oscilace neuronů DN1 je způsobena sociosexuálními interakcemi a je spojena s poklesem večerní aktivity související s pářením.

Modelový organismus v genetice

D. melanogaster zůstává jedním z nejvíce studovaných organismů v biologickém výzkumu, zejména v genetice a vývojové biologii. Používá se také ve studiích environmentální mutageneze.

Historie použití v genetické analýze

Alfred Sturtevant ‚s Drosophila melanogaster genetické vazby mapu: Jednalo se o první úspěšný mapování genů práce a poskytuje důležitý důkaz pro teorii chromozómu dědičnosti . Mapa ukazuje relativní polohy alelických charakteristik na druhém chromozomu Drosophila . Vzdálenost mezi geny (mapové jednotky) je rovna procentu událostí křížení, ke kterým dochází mezi různými alelami.

D. melanogaster byl jedním z prvních organismů používaných pro genetickou analýzu a dnes je jedním z nejrozšířenějších a geneticky nejznámějších ze všech eukaryotických organismů. Všechny organismy používají společné genetické systémy; porozumění procesům, jako je transkripce a replikace v ovocných muškách, proto pomáhá porozumět těmto procesům u jiných eukaryot, včetně lidí .

Thomas Hunt Morgan začal používat ovocné mušky v experimentálních studiích dědičnosti na Kolumbijské univerzitě v roce 1910 v laboratoři známé jako Fly Room. Fly Room byla stísněná osmi stoly, každý obsazený studenty a jejich experimenty. Začali experimenty s použitím lahví na mléko k odchovu ovocných mušek a ručních čoček pro pozorování jejich vlastností. Čočky byly později nahrazeny mikroskopy, což zlepšilo jejich pozorování. Morgan a jeho studenti nakonec objasnili mnoho základních principů dědičnosti, včetně dědičnosti vázané na pohlaví, epistázy , více alel a mapování genů .

D. melanogaster byl historicky používán v laboratořích ke studiu genetiky a vzorců dědičnosti. D. melanogaster má však také význam ve výzkumu mutageneze v životním prostředí, což umožňuje vědcům studovat účinky konkrétních environmentálních mutagenů.

Důvody pro použití v laboratořích

Vícečetné mutanty D. melanogaster (ve směru hodinových ručiček shora): hnědé oči a černá kutikula (2 mutace), rumělkové oči a kůžička divokého typu (1 mutace), sépiové oči a ebenová kutikula, vermilionové oči a žlutá kutikula, bílé oči a žlutá kutikula, divoký typ oči a žlutá kůžička.

Ovocná muška je oblíbenou volbou jako modelový organismus z mnoha důvodů:

  • Jeho péče a kultura vyžadují malé vybavení, prostor a náklady i při použití velkých kultur.
  • Může být bezpečně a snadno anestetizován (obvykle etherem , plynným oxidem uhličitým , chlazením nebo produkty, jako je FlyNap ).
  • Jeho morfologii lze snadno identifikovat po anestezii.
  • Má krátkou generační dobu (asi 10 dní při pokojové teplotě), takže několik generací lze studovat během několika týdnů.
  • Má vysokou plodnost (samice snáší až 100 vajíček denně a za život snad 2 000).
  • Samce a samice se snadno rozlišují a panenské ženy se snadno izolují, což usnadňuje genetické křížení.
  • Zralá larva má ve slinných žlázách obrovské chromozomy zvané polytenové chromozomy , „obláčky“, které označují oblasti transkripce, potažmo genovou aktivitu. Dochází k nedostatečné replikaci rDNA, což má za následek pouze 20% DNA ve srovnání s mozkem. Srovnejte se 47%, méně rDNA ve vaječnících Sarcophaga barbata .
  • Má pouze čtyři páry chromozomů - tři autozomy a jeden pár pohlavních chromozomů .
  • Muži nevykazují meiotickou rekombinaci , což usnadňuje genetické studie.
  • Recesivní smrtící „ balancerové chromozomy “ nesoucí viditelné genetické markery lze použít k udržení zásob smrtelných alel v heterozygotním stavu bez rekombinace v důsledku vícenásobných inverzí ve balanceru.
  • Vývoj tohoto organismu - od oplodněného vajíčka po dospělého dospělého - je dobře znám.
  • Techniky genetické transformace jsou k dispozici od roku 1987.
  • Jeho kompletní genom byl sekvenován a poprvé publikován v roce 2000.
  • Sexuální mozaiky lze snadno vyrobit a poskytnout další nástroj pro studium vývoje a chování těchto much.

Genetické markery

D. Melanogaster, který nese alelu Cy (vpravo), a proto ukazuje charakteristický fenotyp kudrnatých křídel u dospělých let.

Genetické markery se běžně používají ve výzkumu Drosophila , například v balancerových chromozomech nebo vložkách P-elementů a většina fenotypů je snadno identifikovatelná buď pouhým okem nebo pod mikroskopem. V níže uvedeném seznamu několika běžných markerů je za symbolem alely název příslušného genu a popis jeho fenotypu. (Poznámka: Recesivní alely jsou malá, zatímco dominantní alely jsou velké.)

  • Cy 1 : Curly; křídla se zakřivují směrem od těla, let může být poněkud narušen
  • e 1 : Eben; černé tělo a křídla (heterozygoti jsou také viditelně tmavší než divoký typ)
  • Sb 1 : Strniště; štětiny jsou kratší a silnější než divoký typ
  • w 1 : bílá ; oči postrádají pigmentaci a vypadají bílé
  • bw: hnědý; barva očí určená různými kombinovanými pigmenty.
  • y 1 : žlutá; pigmentace těla a křídla vypadají žlutě, obdoba mušek albinismu

Klasické genetické mutace

Geny Drosophila jsou tradičně pojmenovány podle fenotypu, který způsobují při mutaci. Například absence konkrétního genu v Drosophile bude mít za následek mutantní embryo, které nevyvíjí srdce. Vědci tak nazvali tento gen tinman , pojmenovaný podle stejnojmenné postavy Oz . Podobně změny v genu Shavenbaby způsobují ztrátu dorzálních kutikulárních chlupů u larev Drosophila sechellia . Tento systém nomenklatury má za následek širší škálu genových jmen než v jiných organismech.

  • Adh : Alkohol dehydrogenáza- Drosophila melanogaster může exprimovat mutaci alkohol dehydrogenázy ( ADH ), čímž brání rozkladu toxických hladin alkoholů na aldehydy a ketony. Zatímco ethanol produkovaný rozpadem ovoce je přirozeným zdrojem potravy a místem pro kladení vajíček pro Drosophila v nízkých koncentracích (<4%), vysoké koncentrace ethanolu mohou vyvolat oxidační stres a intoxikaci alkoholem . Kondice Drosophily je zvýšena konzumací nízké koncentrace ethanolu. Počáteční expozice ethanolu způsobuje hyperaktivitu, následuje nekoordinace a sedace. Další výzkum ukázal, že antioxidační alfa-ketoglutarát může být prospěšný při snižování oxidačního stresu způsobeného konzumací alkoholu. Studie z roku 2016 dospěla k závěru, že suplementace potravin 10-mM alfa-ketoglutarátem v průběhu času snižovala citlivost na alkohol Drosophila . Pro gen, který kóduje ADH, existuje 194 známých klasických a inzerčních alel. Dvě alely, které se běžně používají pro experimenty zahrnující toxicitu a reakci ethanolu, jsou ADH s (pomalé) a ADH F (rychlé). Četné experimenty dospěly k závěru, že tyto dvě alely představují rozdíly v enzymatické aktivitě pro každou z nich. Při porovnávání homozygotů Adh-F (divoký typ) a adhullů (homozygotní null) výzkum ukázal, že adhullia mají nižší úroveň tolerance k ethanolu, přičemž proces intoxikace začíná dříve než jeho protějšek. Jiné experimenty také dospěly k závěru, že alela Adh je haplosuficientní. Haplosuffiency uvádí, že mít jednu funkční alelu bude adekvátní k produkci potřebných fenotypů pro přežití. To znamená, že mouchy, které byly heterozygotní pro alelu Adh (jedna kopie alely Adh null a jedna kopie alely Adh Wild) vykazovaly velmi podobnou fenotypovou toleranci k alkoholu jako homozygotní dominantní mouchy (dvě kopie alely divokého typu Adh). Bez ohledu na genotyp vykazuje Drosophila negativní reakci na expozici vzorků s obsahem ethanolu vyšším než 5%, což činí jakoukoli toleranci neadekvátní, což má za následek smrtící dávkování a úmrtnost kolem 70%. Drosophila vykazuje mnoho stejných reakcí na ethanol jako lidé. Nízké dávky ethanolu způsobují hyperaktivitu, mírné nekoordinovanost a vysoké dávky uklidnění. “ .
  • b: černá - Černou mutaci objevil v roce 1910 Thomas Hunt Morgan . Výsledkem černé mutace je tmavší tělo, křídla, žíly a segmenty nohy ovocné mušky. K tomu dochází kvůli neschopnosti mouchy vytvářet beta-alanin , beta aminokyselinu. Fenotypová exprese této mutace se liší podle genotypu jedince; například zda je vzorek homozygotní nebo heterozygotní, má za následek tmavší nebo méně tmavý vzhled. Tato genetická mutace je recesivní spojená s x .
  • bw: hnědá - mutace hnědého oka je důsledkem neschopnosti produkovat nebo syntetizovat pteridinové (červené) pigmenty v důsledku bodové mutace na chromozomu II. Když je mutace homozygotní, pteridinové pigmenty nelze syntetizovat, protože na začátku dráhy pteridinu je defektní enzym kódován homozygotními recesivními geny. Celkově mutace v pteridinové dráze produkují tmavší barvu očí, a proto je výsledná barva biochemického defektu v pteridinové dráze hnědá.
  • m: miniaturní - Jeden z prvních záznamů miniaturní mutace křídel pořídil také Thomas Hunt Morgan v roce 1911. Popsal křídla, která mají podobný tvar jako fenotyp divokého typu. Jejich miniaturní označení však odkazuje na délky jejich křídel, které se netahají za jejich tělo, a jsou tedy výrazně kratší než délka divokého typu. Poznamenal také, že jeho dědičnost je spojena s pohlavím mouchy a může být spárována s dědictvím jiných rysů určených podle pohlaví, jako jsou bílé oči. Křídla mohou také vykazovat další vlastnosti odlišné od křídla divokého typu, například matnější a zakalenější barvu. Miniaturní křídla jsou 1,5krát kratší než divokého typu, ale věří se, že mají stejný počet buněk. To je způsobeno nedostatkem úplného zploštění těchto buněk, takže celková struktura křídla ve srovnání vypadá kratší. Dráha expanze křídla je regulována cestou signálního receptoru, kde neurohormonový bursicon interaguje se svým komplementárním receptorem spřaženým s G proteinem; tento receptor pohání jednu z podjednotek G-proteinu k signalizaci další aktivity enzymu a vede k vývoji v křídle, jako je apoptóza a růst.
  • se: sépie - sépiová barva očí je hnědá. Ommochromy (hnědé) a drosopteriny (červené) jsou zodpovědné za typickou barvu očí Drosophila melanogaster . Tyto mutace se vyskytují na třetím chromozomu. Je to kvůli neschopnosti sépie produkovat pteridinový enzym, který je zodpovědný za červenou pigmentaci, že nejsou schopni zobrazit červené zbarvení očí a místo toho mají hnědé zbarvení, jak bylo uvedeno výše. Když se spojí s divokým typem, mouchy s červenýma očima budou dominantní nad očima sépiové barvy. Poté jsou klasifikovány jako recesivní mutace a mohou vzniknout pouze tehdy, když oba chromozomy obsahují gen pro sépiové oči. Sépiově zbarvené oči nejsou závislé na pohlaví mouchy. Sépiová barva očí snižuje sexuální aktivitu u mužů a ovlivňuje preference žen.
  • v: vermilion - rumělková barva očí ve srovnání s divokým typem D. melanogaster je zářivě červená. Vermilionský mutant barvy očí je recesivní gen vázaný na pohlaví kvůli absenci hnědého očního pigmentu. Červený pigment se nachází na chromozomu X. Syntéza hnědého pigmentu je dána procesem přeměny tryptofanu na kynurenin, rumělkovým muškám chybí schopnost převádět tyto aminokyseliny blokující produkci hnědého pigmentu. Snížení množství tryptofanu přeměněného na kynurenin v mutantech rumělky bylo spojeno s delší životností ve srovnání s divokými muškami.
Trojitá mutantní samčí ovocná muška ( Drosophila melanogaster) s mutacemi černého těla, zakrnělých křídel a hnědých očí.
  • vg: pozůstatek - spontánní mutace, objevená v roce 1919 Thomasem Morganem a Calvinem Bridgesem. Vestigiální křídla jsou ta, která nejsou plně vyvinutá a která ztratila funkci. Od objevu zbytkového genu v Drosophila melanogaster došlo k mnoha objevům zakrnělého genu u jiných obratlovců a jejich funkcí uvnitř obratlovců. Zbytkový gen je považován za jeden z nejdůležitějších genů pro tvorbu křídel, ale když se projeví, začne se tvořit problém ektopických křídel. Zbytkový gen působí tak, že reguluje expresi imaginárních disků křídel v embryu a s jinými geny reguluje vývoj křídel. Mutovaná zbytková alela odstraní nezbytnou sekvenci DNA potřebnou pro správný vývoj křídel.
  • w: bílý - divoký typ Drosophila melanogaster obvykle vyjadřuje cihlově červenou barvu očí. Mutace bílého oka v ovocných muškách je způsobena absencí dvou pigmentů spojených s červenými a hnědými barvami očí; peridiny (červené) a ommochromy (hnědé). V lednu 1910 Thomas Hunt Morgan poprvé objevil bílý gen a označil jej jako w . Objev Morganovy mutace bílých očí přinesl počátky genetického experimentování a analýzy Drosophila melanogaster. Hunt nakonec zjistil, že gen sledoval podobný model dědičnosti související s meiotickou segregací chromozomu X. Zjistil, že s touto informací byl gen umístěn na chromozomu X. To vedlo k objevu genů spojených se sexem a také k objevení dalších mutací v Drosophila melanogaster. Mutace bílého oka vede u much k několika nevýhodám, jako je snížená lezecká schopnost, zkrácení délky života a snížení odolnosti vůči stresu ve srovnání s mouchami divokého typu. Drosophila melanogaster má řadu párovacích chování, které jim umožňují kopulovat v daném prostředí, a proto přispívají k jejich kondici. Poté, co Morgan objevil, že mutace bílých očí je spojena se sexem, studie vedená Sturtevantem (1915) dospěla k závěru, že bílookí muži byli z hlediska páření se samicemi méně úspěšní než samci divokého typu. Bylo zjištěno, že čím větší je hustota pigmentace očí, tím větší je úspěch v páření pro muže Dr osophila melanogaster.
  • y: žlutý - žlutý gen je genetická mutace známá jako Dmel \ y v široce používané databázi nazvané FlyBase . Tuto mutaci lze snadno identifikovat podle atypického žlutého pigmentu pozorovaného v kutikule dospělých mušek a ústí larvy. Y mutace zahrnuje následující fenotypové třídy: mutanty, které vykazují úplnou ztrátu pigmentace z kutikuly (typ y) a další mutanty, které vykazují mozaikový pigmentový vzor s některými oblastmi kutikuly (divoký typ, typ y2). Role žlutého genu je různorodá a je zodpovědná za změny v chování, pohlavně specifické reprodukční zrání a epigenetické přeprogramování. Gen y je ideálním genem ke studiu, protože je viditelně jasný, když organisim tento gen má, což usnadňuje pochopení přechodu DNA k potomstvu.


Křídlo divokého typu (vlevo) vs. miniaturní křídlo (vpravo)

Genom

Genomické informace
Drosophila-chromosome-diagram.jpg
D. melanogasterové chromozomy ve škále s referencemi megabázových párů orientovaných jako v databázi Národního centra pro biotechnologické informace , centimorganické vzdálenosti jsou přibližné a odhadují se z umístění vybraných mapovaných lokusů.
ID genomu NCBI 47
Ploidy diploidní
Počet chromozomů 8
Rok dokončení 2015

Genom z D. melanogaster (sekvencován v roce 2000, a sestavená na FlyBase databáze) obsahuje čtyři páry chromozomů - X / Y pár a tři autosomy označená 2, 3, a 4. Čtvrtý chromozóm je relativně velmi malý, a proto často ignorován, kromě svého důležitého bezočivého genu. D. melanogaster sekvenován genom 139,5 milionů párů bází byla poznámka, a obsahuje asi 15.682 genů podle Hudební vydání 73. se zdá být funkční non-protein-kódující DNA podílejí na kontrole genové exprese více než 60% genomu. Určení pohlaví u Drosophila nastává pomocí X: Poměru X chromozomů k autozomům, ne kvůli přítomnosti chromozomu Y jako při určování lidského pohlaví. Ačkoli je chromozom Y zcela heterochromatický , obsahuje nejméně 16 genů, z nichž se předpokládá, že mnohé mají funkce související s muži.

Existují tři přenosové ortology, z nichž všechny se dramaticky liší od těch známých v akordových modelech.

Podobnost s lidmi

Studie Národního výzkumného ústavu pro lidský genom z března 2000 porovnávající ovocnou mušku a lidský genom odhaduje, že mezi těmito dvěma druhy je konzervováno asi 60% genů. Asi 75% známých genů lidské nemoci má rozpoznatelnou shodu v genomu ovocných mušek a 50% proteinových sekvencí mouchy má savčí homology. K vyhledávání homologů genů lidských chorob u much a naopak je k dispozici online databáze s názvem Homophila .

Drosophila se používá jako genetický model pro několik lidských chorob, včetně neurodegenerativních poruch Parkinsonova , Huntingtonova , spinocerebelární ataxie a Alzheimerova choroba . Moucha se také používá ke studiu mechanismů, které jsou základem stárnutí a oxidačního stresu , imunity , cukrovky a rakoviny , a také zneužívání drog .

Connectome

Drosophila je jedním z mála zvířat ( C. elegans je další), kde jsou k dispozici podrobné neurální obvody ( konektom ).

Pro plný létající mozek existuje konektivita na vysoké úrovni, na úrovni mozkových oddílů a propojovacích traktů neuronů. Jeho verze je k dispozici online.

Pro laminu a sloupec dřeně existují podrobné konektory na úrovni obvodu, a to jak ve vizuálním systému ovocné mušky, tak v alfa laloku těla houby.

V květnu 2017 článek publikovaný v bioRxiv představil hromadu obrázků elektronového mikroskopu celého dospělého ženského mozku v synaptickém rozlišení. Hlasitost je k dispozici pro řídké trasování vybraných obvodů.

V roce 2020 byl vydán hustý spojovací článek poloviny centrálního mozku Drosophily spolu s webovou stránkou, která umožňuje dotazy a průzkum těchto dat. Následovaly metody použité při rekonstrukci a počáteční analýze konektomu.

Rozvoj

Životní cyklus tohoto hmyzu má čtyři fáze: oplodněné vajíčko, larvu, kuklu a dospělého.

Embryogeneze v Drosophile byla rozsáhle studována, protože její malá velikost, krátká doba generace a velká velikost plodu je ideální pro genetické studie. Mezi modelovými organismy je také jedinečný v tom, že ke štěpení dochází v syncytiu .

D. melanogaster oogeneze

Během oogeneze spojují cytoplazmatické můstky zvané „prstencové kanály“ tvořící se oocyt se sesterskými buňkami. Živiny a vývojové kontrolní molekuly se přesouvají ze sesterských buněk do oocytu. Na obrázku vlevo je tvořící oocyt pokrytý folikulárními podpůrnými buňkami.

Po oplodnění oocytu dochází u raného embrya (nebo syncyciálního embrya ) k rychlé replikaci DNA a 13 jaderným dělením, dokud se v neoddělené cytoplazmě embrya nenahromadí přibližně 5 000 až 6 000 jader. Na konci osmé divize většina jader migrovala na povrch a obklopila žloutkový vak (zanechalo za sebou jen několik jader, ze kterých se stanou žloutková jádra). Po 10. dělení se pólové buňky tvoří na zadním konci embrya a oddělují zárodečnou linii od syncytia. Nakonec se po 13. dělení buněčné membrány pomalu invaginují a rozdělují syncytium na jednotlivé somatické buňky. Jakmile je tento proces dokončen, začne gastrulace .

Jaderné dělení v raném embryu Drosophila probíhá tak rychle, že neexistují žádné správné kontrolní body, takže při dělení DNA může dojít k chybám. Aby se tento problém obešel, jádra, která udělala chybu, se oddělí od svých centrosomů a spadnou do středu embrya (žloutkového vaku), které nebude součástí mouchy.

Genová síť (transkripční a proteinové interakce) řídící raný vývoj embrya ovocných mušek je jednou z dosud nejlépe srozumitelných genových sítí, zejména vzorování podél předozadní (AP) a dorsoventrální (DV) osy (viz morfogeneze ).

Embryo prochází dobře charakterizovanými morfogenetickými pohyby během gastrulace a raného vývoje, včetně prodloužení zárodečného pásu, tvorby několika brázd, ventrální invaginace mezodermu a zadní a přední invaginace endodermu (střeva), stejně jako rozsáhlé segmentace těla až do konce vylíhnutí z okolní kůžičky do larvy prvního instaru.

Během vývoje larev uvnitř tkáně rostou tkáně známé jako imaginární disky . Imaginální disky se vyvíjejí a tvoří většinu struktur dospělého těla, jako je hlava, nohy, křídla, hrudník a genitálie. Buňky imaginárních disků jsou během embryogeneze odloženy a během larválních stádií dále rostou a dělí se - na rozdíl od většiny ostatních buněk larvy, které se diferencovaly, aby vykonávaly specializované funkce a rostly bez dalšího dělení buněk. Při metamorfóze tvoří larva kuklu , uvnitř které jsou tkáně larev reabsorbovány a imaginární tkáně podléhají rozsáhlým morfogenetickým pohybům za vzniku dospělých struktur.

Vývojová plasticita

Biotické a abiotické faktory zaznamenané během vývoje ovlivní alokaci vývojových zdrojů vedoucí k fenotypovým změnám , označovaným také jako vývojová plasticita. Jako u všeho hmyzu mohou faktory prostředí ovlivnit několik aspektů vývoje u Drosophila melanogaster . Ovocné mouchy chované při léčbě hypoxií zkracovaly délku hrudníku, zatímco hyperoxie produkuje menší letové svaly, což naznačuje negativní vývojové efekty extrémních hladin kyslíku. Cirkadiánní rytmy také podléhají vývojové plasticitě. Světelné podmínky během vývoje ovlivňují vzorce denní aktivity v Drosophila melanogaster , kde jsou mouchy vychovávané za stálé tmy nebo světla méně aktivní jako dospělí než ty, které byly vychovány v rámci 12hodinového cyklu světlo/tma.

Teplota je jedním z nejvíce všudypřítomných faktorů ovlivňujících vývoj členovců . U Drosophila melanogaster může být vývojová plasticita vyvolaná teplotou prospěšná a/nebo škodlivá. Nižší vývojové teploty nejčastěji snižují rychlost růstu, což ovlivňuje mnoho dalších fyziologických faktorů. Například vývoj při 25 ° C zvyšuje rychlost chůze, šířku tepelných výkonů a územní úspěch, zatímco vývoj při 18 ° C zvyšuje tělesnou hmotnost a velikost křídel, což vše souvisí s kondicí. Navíc vývoj při určitých nízkých teplotách produkuje proporcionálně velká křídla, která zlepšují letový a reprodukční výkon při podobně nízkých teplotách ( viz aklimatizace ).

Zatímco některé účinky vývojové teploty, jako je velikost těla, jsou v ektotermách nevratné , jiné mohou být reverzibilní. Když se Drosophila melanogaster vyvíjí při nízkých teplotách, budou mít větší toleranci vůči chladu, ale pokud budou mouchy chované za studena udržovány při teplejších teplotách, jejich tolerance vůči chladu se v průběhu času sníží. Protože se hmyz obvykle páří pouze ve specifickém rozmezí teplot, jejich tolerance vůči chladu/teplu je důležitým znakem maximalizace reprodukčního výkonu.

I když se očekává, že výše popsané rysy se budou projevovat podobně napříč pohlavími, vývojová teplota může u dospělých osob D. melanogaster také vyvolat účinky specifické pro pohlaví .

  • Samice- počet vajíček je významně ovlivněn vývojovou teplotou u D. melanogaster. Velikost vajíčka je také ovlivněna vývojovou teplotou a zhoršuje se, když se oba rodiče vyvíjejí za teplých teplot ( viz Mateřský efekt ). Při stresových teplotách se tyto struktury vyvinou do menších konečných velikostí a sníží reprodukční výkon samice. Počáteční plodnost (celkový počet vajec snesených v prvních 10 dnech po vykrvení ) je maximalizován při chovu při 25 ° C (oproti 17 ° C a 29 ° C) bez ohledu na teplotu dospělých. V celé řadě vývojových teplot mívají ženy větší tepelnou toleranci než muži.
  • Muži- stresující vývojové teploty způsobí u samců D. melanogaster sterilitu ; ačkoli horní teplotní limit lze zvýšit udržováním kmenů při vysokých teplotách ( viz aklimatizace ). Samčí sterilita může být reverzibilní, pokud se dospělí po vývoji při stresových teplotách vrátí na optimální teplotu. Samci mušek jsou menší a úspěšnější při obraně potravin/ovipozičních míst, pokud jsou chováni při 25 ° C oproti 18 ° C; tedy menší samci budou mít vyšší úspěšnost páření a reprodukční výkon.

Určení pohlaví

Mouchy Drosophila mají chromozomy X a Y, stejně jako autozomy . Na rozdíl od lidí chromozom Y neposkytuje mužnost; spíše kóduje geny nezbytné pro tvorbu spermií. Pohlaví je místo toho určeno poměrem X chromozomů k autozomům. Kromě toho se každá buňka „rozhoduje“, zda bude mužem nebo ženou nezávisle na zbytku organismu, což má za následek občasný výskyt gynandromorphů .

X chromozomy Automomy Poměr X: A. Sex
XXXX AAAA 1 Normální žena
XXX AAA 1 Normální žena
XXY AA 1 Normální žena
XXYY AA 1 Normální žena
XX AA 1 Normální žena
XY AA 0,50 Normální muž
X AA 0,50 Normální samec (sterilní)
XXX AA 1,50 Metafemale
XXXX AAA 1,33 Metafemale
XX AAA 0,66 Intersex
X AAA 0,33 Metamale

Na určení pohlaví Drosophila se podílejí tři hlavní geny . Jedná se o sex-smrtelná, sisterless a kamennou tváří . Kamenný je autosomálně gen, který inhibuje sex-letální , zatímco sisterless je nesen na chromozomu X a inhibuje účinek kamennou tváří . Buňka AAX má dvakrát tolik mrtvých mrtvic než bez sestry , takže zabije smrtící sex a vytvoří muže. Nicméně, AAXX buňka dostatek sisterless inhibovat působení kamenná , což umožňuje sex-letální gen, který má být transkribována pro vytvoření žena.

Později kontrola mrtvým pánem a sestrami mizí a co je důležité, je forma sexuálně smrtícího genu. Sekundární promotor způsobuje transkripci u mužů i žen. Analýza cDNA ukázala, že různé formy jsou exprimovány u mužů a žen. Bylo ukázáno, že sex-smrtící ovlivňuje sestřih vlastní mRNA . U mužů je zahrnut třetí exon, který kóduje stop kodon , což způsobuje produkci zkrácené formy. V ženské verzi přítomnost sexuálně smrtícího způsobuje, že tento exon chybí; dalších sedm aminokyselin je produkováno jako celý peptidový řetězec, což opět dává rozdíl mezi muži a ženami.

Přítomnost nebo absence funkčních pohlavně smrtících proteinů nyní ovlivňuje transkripci jiného proteinu známého jako doublesex. V nepřítomnosti smrtícího sexu bude mít doublesex odstraněn čtvrtý exon a bude přeložen až do exonu 6 (DSX-M [ale]) včetně, zatímco v jeho přítomnosti bude čtvrtý exon, který kóduje stop kodon, produkovat zkrácenou verzi proteinu (DSX-F [emale]). DSX-F způsobuje transkripci žloutkových proteinů 1 a 2 v somatických buňkách, které budou při výrobě pumpovány do oocytu .

Imunita

Melanogaster D. imunitní systém může být rozdělen do dvou reakcí: humorální a buňkami zprostředkované. První z nich je systémová odpověď zprostředkovaná z velké části cestami Toll a Imd , což jsou paralelní systémy pro detekci mikrobů. Na klíčových fyziologických reakcích na infekci se podílejí další cesty včetně cest reakce na stres JAK-STAT a P38 , nutriční signalizace prostřednictvím FOXO a signalizace buněčné smrti JNK . D. melanogastertučné tělo , které je analogické s lidskými játry. Tukové tělo je primárním sekrečním orgánem a při infekci produkuje klíčové imunitní molekuly, jako jsou serinové proteázy a antimikrobiální peptidy (AMP). AMP jsou vylučovány do hemolymfy a vážou infekční bakterie a houby, zabíjejí je vytvářením pórů v jejich buněčných stěnách nebo inhibicí intracelulárních procesů. Buněčná imunitní odpověď místo toho odkazuje na přímou aktivitu krevních buněk (hemocytů) u Drosophila , které jsou analogické savčím monocytům/makrofágům. Hemocytes také mají významnou roli při zprostředkování humorálních imunitních reakcí, jako je melanizační reakce.

Imunitní odpověď na infekci může zahrnovat až 2423 genů nebo 13,7% genomu. Ačkoli je transkripční odpověď mouchy na mikrobiální výzvu vysoce specifická pro jednotlivé patogeny, Drosophila odlišně exprimuje základní skupinu 252 genů po infekci většinou bakterií. Tato základní skupina genů je spojena s kategoriemi genové ontologie, jako je antimikrobiální odpověď, stresová reakce, sekrece, neuronům podobné, reprodukce a metabolismus. Drosophila má také několik imunitních mechanismů, jak formovat mikrobiotu, tak zabránit nadměrným imunitním reakcím po detekci mikrobiálních podnětů. Například sekretované PGRP s aktivitou amidázy zachycují a degradují imunostimulační PGN typu DAP za účelem blokování aktivace Imd.

Na rozdíl od savců, Drosophila mají vrozenou imunitu , ale chybí adaptivní imunitní odpověď. Základní prvky této vrozené imunitní odpovědi jsou však mezi lidmi a ovocnými muškami zachovány. V důsledku toho ovocná muška nabízí užitečný model vrozené imunity pro rozpojení genetických interakcí signalizace a efektorové funkce, protože mouchy nemusí bojovat s interferencí adaptivních imunitních mechanismů, které by mohly výsledky zaměňovat. Různé genetické nástroje, protokoly a testy dělají z Drosophily klasický model pro studium vrozeného imunitního systému , který dokonce zahrnoval imunitní výzkum na mezinárodní vesmírné stanici.

Dráha mýtného, ​​jak se nachází v ovocné mušce

Cesta mýtného Drosophila

První popis Toll-podobných receptorů zapojených do reakce na infekci byl proveden v Drosophila . které vyvrcholily Nobelovou cenou v roce 2011. Mýtná dráha v Drosophile je homologní s mýtnými cestami u savců. Tato regulační kaskáda je zahájena po rozpoznání patogenu receptory rozpoznávajícími vzory , zejména grampozitivních bakterií , parazitů a houbových infekcí. Tato aktivace vede k signálním kaskádám serinové proteázy, které nakonec aktivují cytokin Spätzle . Alternativně mohou mikrobiální proteázy přímo štěpit serinové proteázy jako Persephone, které pak šíří signalizaci. Spätzle cytokin pak působí jako ligand pro Toll dráhu na mouchy. Po infekci se pro-Spatzle štěpí proteázou SPE (enzym zpracovávající Spatzle), aby se stal aktivním Spatzle, který se váže na Toll receptor umístěný na buněčném povrchu tukového těla a dimerizuje pro aktivaci downstream NF-κB signálních drah, včetně mnohočetná doména smrti obsahující proteiny a negativní regulátory, jako je ankyrinový opakovaný protein Cactus. Dráha kulminuje translokací transkripčních faktorů NF-kB Dorsal a Dif (faktor dorzální imunity) do jádra.

Dráha mýtného byla identifikována podle regulace antimikrobiálních peptidů (AMP), včetně antifungálního peptidu Drosomycin . Po infekci se AMP zvýší někdy až 1 000krát, což poskytuje nezaměnitelné hodnoty aktivace dráhy. Další skupina Toll-regulovaných AMP podobných efektorů zahrnuje Bomaniny, které se zdají být zodpovědné za většinu Toll-zprostředkované imunitní obrany, nicméně Bomaniny samy nevykazují antimikrobiální aktivitu.

Bylo navrženo, aby druhý SPE podobný enzym podobně aktivoval Spatzle, protože ztráta SPE zcela nesnižuje aktivitu Toll signalizace, nicméně žádný druhý SPE dosud nebyl identifikován. Je třeba charakterizovat řadu serinových proteáz, včetně mnoha s homologií se SPE. Dráha mýtného také interaguje s renální filtrací peptidoglykanu pocházejícího z mikrobioty a udržuje imunitní homeostázu. Nefrocyty mechanicky endocytují PGN typu Lys ze systémového oběhu a směrují ho do lysozomů k degradaci. Bez toho je signalizace mýtného konstitutivně aktivována, což má za následek vážné vyčerpání zásob živin a významný stres na fyziologii hostitele.

Mouchy s nedostatkem AMP (červené oči) po infekci trpí nekontrolovatelným růstem bakterií (zelená fluorescence).

Cesta Drosophila Imd

Dráha Imd je ortologická k signalizaci superrodiny humánních TNF receptorů a je spuštěna gramnegativními bakteriemi prostřednictvím rozpoznávání rozpoznávacími proteiny peptidoglykanu (PGRP), včetně rozpustných receptorů a receptorů na povrchu buněk (PGRP-LE, respektive LC). Imd signalizace vrcholí translokací transkripčního faktoru NF-kB do jádra, což vede k upregulaci genů reagujících na Imd včetně AMP diptericinu . V důsledku toho mouchy s nedostatkem AMP připomínají mutanty dráhy Imd z hlediska citlivosti na bakteriální infekci. Imd signalizace a Relish konkrétně se také podílejí na regulaci imunity v povrchových epitelech, včetně střev a dýchacích cest.

Relish transkripční faktor byl také zapojen do procesů týkajících se buněčné proliferace a neurodegenerace buď prostřednictvím autofagie, nebo autoimunitní toxicity. V neurodegenerativních modelech spoléhajících na signalizaci Imd je exprese AMP v mozku v korelaci s poškozením mozkové tkáně, lézemi a nakonec smrtí. Ochucení regulované zesilovačů, jako je defensinu a Diptericin také protirakovinové vlastnosti podporující nádorové clearance. Imd-regulovaný AMP Diptericin B je také produkován tukovým tělem konkrétně v hlavě a Diptericin B je nezbytný pro tvorbu dlouhodobé paměti.

Signalizace JAK-STAT

Několik prvků signální dráhy Drosophila JAK-STAT nese přímou homologii s lidskými geny dráhy JAK-STAT . Signalizace JAK-STAT je indukována různými stresy organismu, jako je tepelný stres, dehydratace nebo infekce. Indukce JAK-STAT vede k produkci řady proteinů reagujících na stres, včetně proteinů obsahujících Thioester (TEP), turandotů a předpokládaného antimikrobiálního peptidu listericinu. Mechanismy, kterými mnohé z těchto proteinů působí, se stále vyšetřují. Zdá se například, že TEP podporují fagocytózu grampozitivních bakterií a indukci mýtné dráhy. V důsledku toho jsou mouchy postrádající TEP náchylné k infekci výzvami mýtné cesty.

Drosophila hemocytes (zelená) pohlcující bakterie Escherichia coli (červená).

Buněčná odpověď na infekci

Cirkulující hemocyty jsou klíčovými regulátory infekce. To bylo prokázáno jak prostřednictvím genetických nástrojů pro generování much postrádajících hemocyty, tak prostřednictvím injekčních kuliček z mikroskla nebo lipidových kapiček, které nasycují schopnost hemocytu fagocytovat sekundární infekci. Takto ošetřené mouchy nedokážou po infekci fagocytovat bakterie a jsou odpovídajícím způsobem náchylné k infekci. Tyto hemocyty pocházejí ze dvou vln hematopoézy , z nichž jedna se vyskytuje na počátku embrya a jedna se vyskytuje během vývoje od larvy k dospělému. Hemocytes Drosophila se však během dospělosti neobnovuje, a tak má moucha konečný počet hemocytů, které v průběhu své životnosti klesají. Hemocyty se také podílejí na regulaci událostí buněčného cyklu a apoptózy aberantní tkáně (např. Rakovinotvorných buněk) produkcí Eigera, signální molekuly faktoru nekrotizujícího nádor, který podporuje signalizaci JNK a nakonec buněčnou smrt a apoptózu.

Behaviorální genetika a neurověda

V roce 1971 Ron Konopka a Seymour Benzer publikovali „Hodinové mutanty Drosophila melanogaster “, dokument popisující první mutace, které ovlivnily chování zvířete. Mouchy divokého typu vykazují rytmus aktivity s frekvencí přibližně jeden den (24 hodin). Našli mutanty s rychlejšími a pomalejšími rytmy i zlomenými rytmy - mouchy, které se pohybují a odpočívají v náhodných spurtech. Práce následujících 30 let ukázala, že tyto mutace (a další jim podobné) ovlivňují skupinu genů a jejich produktů, které tvoří biochemické nebo biologické hodiny . Tyto hodiny se nacházejí v celé řadě muších buněk, ale buňky nesoucí hodiny, které řídí aktivitu, jsou několik desítek neuronů v centrálním mozku mouchy.

Od té doby Benzer a další používají behaviorální obrazovky k izolaci genů zapojených do vidění, čichu, konkurzu, učení/paměti, námluv, bolesti a dalších procesů, jako je dlouhověkost.

V návaznosti na průkopnickou práci Alfreda Henryho Sturtevanta a dalších Benzer a kolegové použili sexuální mozaiky k vývoji nové techniky mapování osudu . Tato technika umožnila přiřadit konkrétní charakteristiku ke konkrétnímu anatomickému umístění. Tato technika například ukázala, že chování u mužských námluv je řízeno mozkem. Mapování osudu mozaiky také poskytlo první náznak existence feromonů u tohoto druhu. Samci rozlišují mezi samci a samicemi konspecifických mužů a přímým trvalým námluvami vůči ženám díky pohlavnímu feromonu specifickému pro ženu, který je většinou produkován tergity ženy .

První mutanti učení a paměti ( dunce , rutabaga atd.) Izoloval William „Chip“ Quinn v Benzerově laboratoři a nakonec se ukázalo, že kódují složky intracelulární signální dráhy zahrnující cyklický AMP , protein kinázu A a transkripci faktor známý jako CREB. Ukázalo se, že tyto molekuly se také účastní synaptické plasticity v Aplysii a savcích.

Nobelova cena za fyziologii a lékařství za rok 2017 byla udělena Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young jejich děl s využitím octomilky v chápání „molekulárních mechanismů ovládajícím cirkadiánní rytmus “.

Samčí mušky zpívají ženám během námluv pomocí křídel k vytváření zvuku a byla charakterizována některá genetika sexuálního chování. Zejména neplodný gen má několik různých forem sestřihu a samčí mušky exprimující ženské sestřihové formy mají chování podobné ženám a naopak. TRP kanály nompC , nanchung a neaktivní jsou vyjádřeny ve zvukově citlivých Johnstonových orgánových neuronech a podílejí se na přenosu zvuku. Mutování Genderblind gen, také známý jako CG6070, hne sexuálního chování Drosophila , otáčením letí bisexuální .

Mouchy používají k detekci novosti pachů upravenou verzi filtrů Bloom s dalšími funkcemi včetně podobnosti nového zápachu s dříve zaznamenanými příklady a času, který uplynul od předchozí zkušenosti se stejným zápachem.

Agrese

Jako u většiny hmyzu, agresivní chování mezi samci much se běžně vyskytuje za přítomnosti dvoření se samici a při soutěži o zdroje. Takové chování často zahrnuje zvedání křídel a nohou směrem k protivníkovi a útočení celým tělem. Proto často způsobuje poškození křídel, což snižuje jejich kondici odstraněním schopnosti létat a pářit se.

Akustická komunikace

Aby došlo k agresi, samčí mušky produkují zvuky, které sdělují jejich záměr. Studie z roku 2017 zjistila, že písně podporující agresi obsahují impulsy vyskytující se v delších intervalech. Sekvenování RNA z létajících mutantů vykazujících příliš agresivní chování zjistilo, že více než 50 genů souvisejících se sluchem (důležitých pro přechodné potenciály receptorů , signalizace Ca 2+ a potenciály mechanoreceptorů ) je upregulováno v neuronech AB umístěných v Johnstonově orgánu . Když byly tyto geny vyřazeny interferencí RNA , navíc byly sníženy úrovně agresivity . To znamená hlavní roli sluchu jako smyslové modality při komunikaci o agresi.

Feromonová signalizace

Kromě sluchu je další smyslovou modalitou, která reguluje agresi, feromonová signalizace, která funguje buď podle čichového systému, nebo podle chuťového systému v závislosti na feromonu. Příkladem je cVA, antiafrodiziakální feromon používaný muži k označení samic po páření a k odradení ostatních mužů od páření. Tento feromon specifický pro muže způsobuje zvýšení agresivity mezi muži a muži, pokud je detekován chuťovým systémem jiného muže . Po vložení mutace, která způsobila, že mouchy nereagují na cVA, však nebylo pozorováno žádné agresivní chování. To ukazuje, jak existuje několik způsobů podpory agrese u much.

Soutěž o jídlo

Konkrétně, když soutěží o jídlo, dochází k agresi na základě množství dostupného jídla a je nezávislá na jakýchkoli sociálních interakcích mezi muži. Konkrétně bylo zjištěno , že sacharóza stimuluje chuťové neurony receptorů, což bylo nezbytné ke stimulaci agrese. Jakmile se však množství jídla zvýší nad určité množství, konkurence mezi muži se sníží. Důvodem je pravděpodobně nadbytek potravinových zdrojů. Ve větším měřítku bylo zjištěno, že potraviny určují hranice území, protože byly pozorovány mouchy agresivnější na fyzickém obvodu potravin.

Účinek deprivace spánku

Nicméně, jako většina chování vyžadujících vzrušení a bdění, bylo zjištěno, že agrese je narušena spánkovou deprivací . Konkrétně k tomu dochází narušením signalizace octopaminu a dopaminu , což jsou důležité cesty pro regulaci vzrušení u hmyzu. Vzhledem ke snížené agresivitě bylo zjištěno, že mužské mouchy zbavené spánku jsou při páření znevýhodněny ve srovnání s normálními mouchami. Když však byli těmto muchám zbaveným spánku podáni agonisté octopaminu, bylo pozorováno zvýšení agresivity a následně byla obnovena sexuální zdatnost. Z tohoto zjištění tedy vyplývá důležitost spánku v agresi mezi muškami.

Transgeneze

Nyní je relativně jednoduché generovat transgenní mouchy v Drosophile, spoléhající se na různé techniky. Jeden přístup vložení cizích genů do genomu Drosophila zahrnuje P prvky. Transponovatelné P prvky, také známé jako transpozony , jsou segmenty bakteriální DNA, které jsou přeneseny do genomu mouchy. Transgenní mouchy již přispěly k mnoha vědeckým pokrokům, např. Modelováním lidských chorob, jako je Parkinsonova choroba , neoplázie , obezita a cukrovka .

Vidění

Stereo obrazy oka

Složené oko na ovocné mušky obsahuje 760 jednotek oči nebo ommatidia , a jsou jedním z nejmodernějších u hmyzu. Každé ommatidium obsahuje osm fotoreceptorových buněk (R1-8), podpůrné buňky, pigmentové buňky a rohovku. Mušky divokého typu mají načervenalé pigmentové buňky, které slouží k absorpci přebytečného modrého světla, takže moucha není oslepena okolním světlem. Geny barvy očí regulují buněčný vezikulární transport. Enzymy potřebné pro syntézu pigmentu jsou poté transportovány do buněčných pigmentových granulí, které obsahují molekuly prekurzoru pigmentu.

Každá buňka fotoreceptoru se skládá ze dvou hlavních částí, těla buňky a rhabdomere . Tělo buňky obsahuje jádro , zatímco rhabdoméra o délce 100 μm je tvořena hromádkami membrány podobné zubním kartáčkům nazývaným mikrovilli . Každý mikrovilus má délku 1–2 μm a průměr přibližně 60 nm . Membrána rhabdomere je nabitá asi 100 miliony molekul rhodopsinu , vizuálního proteinu, který absorbuje světlo. Zbytek vizuálních proteinů je také pevně zabalen do mikrovilárního prostoru a ponechává malý prostor pro cytoplazmu .

Fotoreceptory v Drosophile exprimují různé izoformy rhodopsinu . Buňky fotoreceptoru R1-R6 exprimují rhodopsin1 (Rh1), který absorbuje modré světlo (480 nm). Buňky R7 a R8 exprimují kombinaci buď Rh3 nebo Rh4, které absorbují UV světlo (345 nm a 375 nm), a Rh5 nebo Rh6, které pohlcují modré (437 nm) a zelené (508 nm) světlo. Každá molekula rhodopsinu se skládá z opsinového proteinu kovalentně spojeného s karotenoidním chromoforem, 11-cis-3-hydroxyretinalem.

Exprese rhodopsin1 (Rh1) ve fotoreceptorech R1-R6

Stejně jako u obratlovců se vizuální transdukce u bezobratlých vyskytuje cestou spojenou s G proteinem. U obratlovců je však G protein transducin, zatímco G protein u bezobratlých je Gq (dgq u Drosophila ). Když rhodopsin (Rh) absorbuje foton světla, jeho chromofor, 11-cis-3-hydroxyretinal, je izomerizován na all-trans-3-hydroxyretinal. Rh prochází konformační změnou do své aktivní formy, metarhodopsinu. Metarhodopsin aktivuje Gq, což zase aktivuje fosfolipázu Cβ (PLCβ) známou jako NorpA.

PLCβ hydrolyzuje fosfatidylinositol (4,5) -bisfosfát (PIP 2 ), fosfolipid nacházející se v buněčné membráně , na rozpustný inositol trifosfát (IP 3 ) a diacylglycerol (DAG), který zůstává v buněčné membráně. DAG nebo derivát DAG způsobuje, že se iontový kanál selektivní na vápník známý jako transientní receptorový potenciál (TRP) otevře a vápník a sodík proudí do buňky. Předpokládá se, že IP 3 se váže na receptory IP 3 v subrhabdomerických cisternách, což je rozšíření endoplazmatického retikula , a způsobuje uvolňování vápníku, ale tento proces se nezdá být nezbytný pro normální vidění.

Vápník se váže na proteiny, jako je kalmodulin (CaM) a oční specifická protein kináza C (PKC) známá jako InaC. Tyto proteiny interagují s jinými proteiny a bylo prokázáno, že jsou nezbytné pro vypnutí světelné odezvy. Kromě toho, proteiny, tzv arrestiny vázat metarhodopsin a zabránit jeho aktivaci více Gq. Sodno-vápenato výměník známý jako calx pumpuje ven vápníku buňky. Využívá vnitřní sodíkový gradient k exportu vápníku při stechiometrii 3 Na + / 1 Ca ++ .

TRP, InaC a PLC tvoří signální komplex navázáním lešenářského proteinu zvaného InaD. InaD obsahuje pět vazebných domén nazývaných proteiny domény PDZ , které specificky vážou C konce cílových proteinů. Narušení komplexu mutacemi buď v doménách PDZ, nebo v cílových proteinech snižuje účinnost signalizace. Například narušení interakce mezi InaC, proteinovou kinázou C a InaD má za následek zpoždění inaktivace světelné reakce .

Na rozdíl od metarhodopsinu obratlovců lze metarhodopsin bezobratlých přeměnit zpět na rhodopsin absorbováním fotonu oranžového světla (580 nm).

Asi dvě třetiny mozku Drosophila se věnují vizuálnímu zpracování. Přestože je prostorové rozlišení jejich vidění výrazně horší než u lidí, jejich časové rozlišení je přibližně 10krát lepší.

Péče

Drosophila je známo, že projevují chování při péči, které je prováděno předvídatelným způsobem. Drosophila důsledně začíná upravovat sekvence pomocí předních nohou k čištění očí, potom hlavy a tykadel. Pomocí zadních nohou si Drosophila upravila břicho a nakonec křídla a hrudník. V této sekvenci si Drosophila pravidelně třel nohy o sebe, aby se zbavil přebytečného prachu a nečistot, které se hromadí během procesu péče.

Ukázalo se, že chování v péči o srst je prováděno v hierarchii potlačení. To znamená, že groomingové chování, ke kterému dochází na začátku sekvence, brání tomu, aby k těm, které přicházejí později v sekvenci, docházelo současně, protože groomingová sekvence se skládá z vzájemně se vylučujících chování. Tato hierarchie nebrání tomu, aby se Drosophila vrátila k péči o chování, ke které již bylo přistoupeno v rámci péče. Pořadí péče v hierarchii potlačování je považováno za související s prioritou čištění konkrétní části těla. Například oči a antény jsou pravděpodobně provedeny na začátku sekvence péče, aby se zabránilo rušení trosek funkcí smyslových orgánů D. melanogaster .

Chůze

Pohled shora na kráčící Drosophila (vlevo) s nohama sledovaným pomocí DeepLabCut (vpravo).

Stejně jako mnoho jiného hmyzu hexapod, Drosophila obvykle chodí pomocí stativu. To znamená, že tři nohy se houpají společně, zatímco ostatní tři zůstávají nehybné nebo v postoji. Variabilita kolem konfigurace stativu se zdá být kontinuální, což znamená, že mouchy nevykazují výrazné přechody mezi různými chody. Při vysokých rychlostech chůze (15–30 mm/s) je konfigurace chůze většinou stativ (3 nohy v postoji), ale při nízké rychlosti chůze (0–15 mm/s) mají mouchy větší pravděpodobnost čtyři nebo pět nohou v postoji. Tyto přechody mohou pomoci optimalizovat statickou stabilitu. Protože jsou mouchy tak malé, jsou setrvačné síly zanedbatelné ve srovnání s pružnými silami jejich svalů a kloubů nebo viskózními silami okolního vzduchu.

Kromě stability je při určování chůze mouchy při určité rychlosti chůze považována za důležitou také robustnost chůze. Robustnost udává, jak velký posun v načasování postoje nohou lze tolerovat, než se muška stane staticky nestabilní. Například robustní chůze může být obzvláště důležitá při procházení nerovným terénem, ​​protože může způsobit neočekávané narušení koordinace nohou. Použití robustní chůze by v tomto případě pomohlo mouše udržet stabilitu. Analýzy naznačují, že Drosophila může vykazovat kompromis mezi nejstabilnější a nejrobustnější chůzí při dané rychlosti chůze.

Let

Mouchy létají přímými sekvencemi pohybu proloženými rychlými zatáčkami nazývanými sakády. Během těchto zatáček se muška dokáže otočit o 90 ° za méně než 50 milisekund.

Charakteristiky letu Drosophila mohou být ovládány spíše viskozitou vzduchu než setrvačností těla mouchy, ale může nastat opačný případ se setrvačností jako dominantní silou. Následující práce však ukázaly, že zatímco viskózní účinky na tělo hmyzu během letu mohou být zanedbatelné, aerodynamické síly na samotných křídlech ve skutečnosti způsobují, že zatáčky ovocných mušek jsou viskózně tlumeny.

Mylné představy

Drosophila je někdy označována jako škůdce kvůli své tendenci žít v lidských sídlech, kde se nachází kvasící ovoce. Mouchy se mohou shromažďovat v domácnostech, restauracích, obchodech a na dalších místech.

Název a chování tohoto druhu mouchy vedlo k mylné představě, že jde o riziko biologického zabezpečení v Austrálii. Zatímco jiné druhy „ovocných mušek“ představují riziko, D. melanogaster je přitahován k ovoci, které již hnije, spíše než k hnilobě ovoce.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy