Drosophila melanogaster (řecky: δρόσος = dew, φίλος = lover, μέλας = tmavě zbarvený, γαστήρ = břicho) je druh Diptera, neboli řádu much, z čeledi Drosophilidae. Tento druh je obecně znám jako obyčejná octová moucha nebo octová moucha. Tento druh je modelovým organismem a je široce používán pro biologický výzkum ve studiích genetiky, fyziologie, mikrobiální patogeneze a evoluce v historii života. Typicky se používá, protože je to živočišný druh, o který je snadná péče, rychle se množí a snáší mnoho vajec.
Mouchy patřící do čeledi Tephritidae se také nazývají octomilky, což může vést k záměně, zejména v Austrálii a Jižní Africe, kde termín octomilky odkazuje na členy čeledi Tephritidae, kteří jsou ekonomickými škůdci v produkci ovoce, jako je Ceratitis capitata, středomořská octomilka nebo „Medfly“.
Muž (vpravo) a žena D. melanogaster
Životní cyklus a rozmnožování
Pářící se octomilky. Všimněte si pohlavních hřebenů na předních končetinách samečka (vložka)
Samice jsou vnímavé k namlouvání samců asi 8-12 hodin po vylíhnutí. Samice mušky ovocné preferují kratší dobu, pokud jde o sex. Samci naopak preferují delší dobu. Samci provádějí sekvenci pěti vzorců chování, aby se dvořili samicím. Nejprve se samci orientují při hraní namlouvací písně horizontálním roztažením a vibrací křídel. Brzy poté samci sami sebe umístí v zadní části břicha samice v nízkém postoji, aby poklepali a olízli samičí genitálie. Nakonec samec zakroutí břichem a pokusí se o kopulaci. Samice mohou samce zavrhnout tím, že se odstěhují, kopou a vytlačí svůj ovipositor. Kopulace trvá asi 15-20 minut, během nichž samci přenesou několik stovek velmi dlouhých (1,76 mm) spermií v semenné tekutině k samici. Samice skladují spermie v tubulární nádobě a ve dvou houbovitých spermatech soutěží spermie z vícenásobného páření o oplodnění. Předpokládá se, že existuje poslední mužská precedence, kdy poslední samec, který se spáří se samicí, zplodí přibližně 80% svých potomků. Bylo zjištěno, že k této precedenci dochází prostřednictvím vytlačení a zneschopnění. Vytlačení je připisováno manipulaci se spermiemi ze strany samice při vícenásobném páření a je nejvýznamnější během prvních 1-2 dnů po kopulaci. Vytlačení ze semenné nádoby je významnější než vytlačení ze spermatéz. Inkubace prvních samčích spermií druhými samčími spermiemi se stává významnou 2-7 dnů po kopulaci. Předpokládá se, že semenná tekutina druhého samce je zodpovědná za tento zneschopnění mechanismus (bez odstranění prvních samčích spermií), který se projeví před oplodněním. Odklad účinnosti zneschopnění mechanismu je považován za ochranný mechanismus, který brání mouše samčí zneschopnit vlastní spermie, pokud by se pářila se stejnou samicí opakovaně.
Historie využití v genetické analýze
Drosophila melanogaster byl mezi prvními organismy používanými pro genetickou analýzu a dnes je jedním z nejrozšířenějších a geneticky nejznámějších ze všech eukaryotických organismů. Všechny organismy používají společné genetické systémy; proto pochopení procesů, jako je transkripce a replikace u octomilek, pomáhá pochopit tyto procesy u jiných eukaryot, včetně lidí.
Woodworthovi je připisováno, že jako první rozmnožil Drosophilu v množství a že navrhl W.E. Castlovi, že by mohly být použity pro genetický výzkum během jeho působení na Harvardově univerzitě.
„Thomas Hunt Morgan a jeho kolegové rozšířili Mendelovu práci popisem dědičnosti vázané na X a tím, že ukázali, že geny umístěné na stejném chromozomu nevykazují samostatný sortiment. Studie znaků vázaných na X pomohly potvrdit, že geny se nacházejí na chromozomech, zatímco studie propojených znaků vedly k prvním mapám ukazujícím umístění genetických lokusů na chromozomech“ (Freman 214). První mapy chromozomů Drosophila dokončil Alfred Sturtevant.
Modelový organismus v genetice
D. melanogaster typy (ve směru hodinových ručiček): hnědé oči s černým tělem, cinabarózové oči, sépiové oči s ebenovým tělem, rumělkové oči, bílé oči a divoké oči se žlutým tělem
Drosophila melanogaster je jedním z nejvíce studovaných organismů v biologickém výzkumu, zejména v genetice a vývojové biologii. Důvodů je několik:
Genetické markery se běžně používají ve výzkumu Drosophila, například v rámci balancerových chromozomů nebo vložek P-elementu, a většina fenotypů je snadno identifikovatelná buď pouhým okem, nebo pod mikroskopem. V níže uvedeném seznamu příkladů společných markerů následuje za symbolem alely název postiženého genu a popis jeho fenotypu. (Poznámka: Recesivní alely jsou malými písmeny, zatímco dominantní alely jsou velké.)
Drosophila geny jsou tradičně pojmenovány podle fenotypu, který způsobí při mutaci. Například absence určitého genu v Drosophila bude mít za následek zmutované embryo, které nevyvíjí srdce. Vědci tak nazvali tento gen tinman, pojmenovaný podle znaku Oz stejného jména. Tento systém názvosloví má za následek širší spektrum genových jmen než u jiných organismů.
D. melanogastrové chromozomy na škálu s referencemi megabází párů orientovanými jako v informační databázi Národního centra biotechnologických informací. Centimorgánové vzdálenosti jsou přibližné a odhadnuté z míst vybraných mapovaných lokusů.
Přibližně 75% známých genů lidských chorob má rozpoznatelnou shodu v genomu ovocných mušek a 50% sekvencí muších proteinů má homology savců. Online databáze s názvem Homophila je dostupná pro vyhledávání homologů genů lidských chorob u mušek a naopak. Drosophila se používá jako genetický model pro několik lidských chorob včetně neurodegenerativních poruch Parkinsonovy, Huntingtonovy, spinocerebellární ataxie a Alzheimerovy choroby. Moucha se také používá ke studiu mechanismů, které jsou základem stárnutí a oxidačního stresu, imunity, cukrovky a rakoviny, stejně jako zneužívání drog.
Embryogeneze u rodu Drosophila byla rozsáhle studována, protože její malá velikost, krátká generační doba a velká velikost plodů ji činí ideální pro genetické studie. Mezi modelovými organismy je také unikátní tím, že k rozštěpení dochází v syncytiu.
Drosophila melanogaster oogenesis
Během oogeneze spojují cytoplazmatické můstky zvané „kruhové kanály“ tvořící se oocyt s buňkami zdravotní sestry. Živiny a molekuly vývojové kontroly přecházejí z buněk zdravotní sestry do oocytu. Na obrázku vlevo je vidět, že tvořící se oocyt je pokryt folikulárními podpůrnými buňkami.
Po oplodnění oocytu rané embryo (nebo syncytiální embryo) prochází rychlou replikací DNA a 13 nukleárními děleními, až se v neoddělené cytoplazmě embrya nahromadí přibližně 5000 až 6000 jader. Na konci 8. dělení většina jader migruje na povrch a obklopuje žloutkový váček (zůstane jen několik jader, z nichž se stanou žloutková jádra). Po 10. dělení se pólové buňky vytvoří na zadním konci embrya a oddělí zárodečnou linii od syncytia. Nakonec po 13. dělení buněčné membrány pomalu invaginují a dělí syncytium na jednotlivé somatické buňky. Po dokončení tohoto procesu začíná gastrulace.
K nukleárnímu dělení v časném zárodku Drosophila dochází tak rychle, že neexistují patřičná kontrolní stanoviště, takže při dělení DNA může dojít k chybám. Aby se tento problém obešel, jádra, která udělala chybu, se oddělí od svých centrozomů a spadnou do středu embrya (žloutkového váčku), který nebude tvořit součást mouchy.
Genová síť (transkripční a proteinové interakce), která řídí raný vývoj zárodku mušky ovocné, je jednou z dosud nejlépe pochopených genových sítí, zejména vzorování podél antero-posteriorní (AP) a dorso-ventrální (DV) osy (Viz pod morfogenezí).
Embryo prochází během gastrulace a raného vývoje dobře charakterizovanými morfogenetickými pohyby, včetně rozšíření zárodečného pásu, vzniku několika brázd, ventrální invazi mezodermu, zadní a přední invazi endodermu (střeva), jakož i rozsáhlou segmentaci těla až do úplného vylíhnutí z okolní kutikuly do larvy 1. instaru.
Během vývoje larvy rostou uvnitř larvy tkáně známé jako imaginární disky. Imaginární disky se vyvíjejí tak, že tvoří většinu struktur dospělého těla, jako je hlava, nohy, křídla, hrudník a genitálie. Buňky imaginárních disků jsou během embryogeneze odloženy stranou a během larválních stádií dále rostou a dělí se – na rozdíl od většiny ostatních buněk larvy, které se diferencovaly tak, aby vykonávaly specializované funkce a rostly bez dalšího dělení buněk. Při metamorfóze larva vytvoří kuklu, uvnitř které jsou larvální tkáně reabsorbovány a imaginární tkáně procházejí rozsáhlými morfogenetickými pohyby, aby vytvořily dospělé struktury.
Drosofily mají chromozomy X a Y stejně jako autozomy. Na rozdíl od lidí chromozom Y neposkytuje mužství, spíše kóduje geny nezbytné pro tvorbu spermií. Pohlaví je místo toho určeno poměrem autozomů k chromozomům X. Dále každá buňka „rozhoduje“, zda bude mužská nebo ženská nezávisle na zbytku organismu, což má za následek občasný výskyt gynandromorfů.
3 hlavní geny jsou zapojeny do stanovení pohlaví Drosophila. Jedná se o Sex-lethal, Sisterless a Deadpan. Deadpan je autozomální gen, který inhibuje sex-lethal, zatímco sisterless je přenášen na chromozomu X a inhibuje působení mrtvé tváře. AAX buňka má dvakrát více mrtvé tváře než sisterless a tak sex-lethal bude inhibován při vytváření samce. Na druhou stranu AAXX buňka bude produkovat dost bez sester na to, aby inhibovala působení mrtvé tváře umožňující transkripci genu sex-lethal při vytváření samice.
Pozdější kontrola pomocí mrtvoly a bez sester mizí a důležitá se stává forma genu smrtícího pohlaví. Sekundární promotor způsobuje transkripci u mužů i u žen. Analýza cDNA ukázala, že u mužů a u žen se projevují různé formy. Bylo prokázáno, že smrtící pohlaví ovlivňuje splétání vlastní mRNA. U mužů je zahrnut 3. exon, který kóduje stop kodon způsobující vznik zkrácené formy. U ženské verze způsobuje přítomnost smrtícího pohlaví, že tento exon je vynechán ostatních 7 aminokyselin je produkováno jako plný peptidový řetězec, což nám opět dává rozdíl mezi muži a ženami.
Přítomnost či nepřítomnost funkčních pohlavně-smrtících proteinů nyní ovlivňuje transkripci jiného proteinu známého jako Doublesex. Při nepřítomnosti pohlavně-smrtícího bude Doublesex zbaven 4. exonu a bude přeložen až do exonu 6 včetně (DSX-M[ale]), zatímco za jeho přítomnosti 4 exon, který kóduje stop kodon, vytvoří zkrácenou verzi proteinu (DSX-F[emale]). DSX-F způsobí transkripci Yolk proteinů 1 a 2 v somatických buňkách, které budou pumpovány do oocytu při jeho výrobě.
Behaviorální genetika a neurovědy
V roce 1971 Ron Konopka a Seymour Benzer publikovali „Hodinové mutanty Drosophila melanogaster“, práci popisující první mutace, které ovlivnily chování zvířete. Divoké mouchy vykazují aktivitní rytmus s frekvencí přibližně jednoho dne (24 hodin). Našli mutanty s rychlejšími a pomalejšími rytmy a také s porušenými rytmy – mouchy, které se pohybují a odpočívají v náhodných výbojích. Práce během 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 širokém spektru muších buněk, ale buňky nesoucí hodiny, které ovládají aktivitu, jsou několik desítek neuronů v centrálním mozku mouchy.
Od té doby Benzer a další používají behaviorální obrazovky k izolaci genů zapojených do zraku, čichu, konkurzu, učení/paměti, námluv, bolesti a dalších procesů, jako je dlouhověkost.
První studijní a paměťové mutanty (hlupáci, rutabaga atd.) izoloval William „Chip“ Quinn v Benzerově laboratoři a nakonec se ukázalo, že kódují složky intracelulární signální dráhy zahrnující cyklický AMP, proteinkinázu A a transkripční faktor známý jako CREB. Ukázalo se, že tyto molekuly se také podílejí na synaptické plasticitě u Aplysie a savců.
Muži mouchy zpívají samicím během námluv pomocí křídel, aby vytvořili zvuk, a některé geny sexuálního chování byly charakterizovány. Zejména neplodný gen má několik různých sestřihových forem a samci mouchy vyjadřující samičí sestřihové formy mají samičí chování a naopak.
Drosophila byla dále využita v neurofarmakologickém výzkumu, včetně studií konzumace kokainu a alkoholu.
Stereo snímky muškího oka
Složené oko octomilky obsahuje 760 jednotkových očí neboli ommatidia a patří mezi nejpokročilejší hmyz. Každé ommatidium obsahuje 8 fotoreceptorových buněk (R1-8), podpůrné buňky, pigmentové buňky a rohovku. Mouchy divokého typu mají načervenalé pigmentové buňky, které slouží k pohlcení přebytečného modrého světla, takže moucha není oslepena okolním světlem.
Každá fotoreceptorová buňka se skládá ze dvou hlavních částí, buněčného těla a rhabdomeru. Buněčné tělo obsahuje jádro, zatímco rhabdomer o délce 100 μm se skládá ze stohů membrán, které se nazývají microvilli. Každý microvillus má délku 1–2 μm a průměr ~60 nm. Membrána rhabdomeru je napěchovaná asi 100 miliony molekul rhodopsinu, vizuálního proteinu, který absorbuje světlo. Zbytek vizuálních proteinů je také těsně napěchovaný do mikrovillárního prostoru, takže pro cytoplazmu nezbývá mnoho místa.
Fotoreceptory v Drosophile exprimují různé izoformy rhodopsinu. Fotoreceptory 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 absorbují modré (437 nm) a zelené (508 nm) světlo. Každá molekula rhodopsinu se skládá z opsinového proteinu kovalentně vázaného na karotenoidní chromofor, 11-cis-3-hydroxyretinal.
Exprese Rhodopsin1 (Rh1) ve fotoreceptorech R1-R6
Stejně jako u obratlovců dochází u bezobratlých k vizuální transdukci cestou spřaženou s G proteinem. U obratlovců je však G protein transdukin, zatímco G protein u bezobratlých je Gq (dgq u Drosophily). 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, který zase aktivuje fosfolipázu Cβ (PLCβ) známou jako NorpA.
PLCβ hydrolyzuje fosfatidylinositol (4,5)-bisfosfát (PIP2), fosfolipid nacházející se v buněčné membráně, na rozpustný inositol trifosfát (IP3) a diacylgycerol (DAG), který zůstává v buněčné membráně. DAG nebo derivát DAG způsobí otevření vápníkového selektivního iontového kanálu známého jako TRP (přechodný receptorový potenciál) a do buňky přiteče vápník a sodík. Předpokládá se, že IP3 se váže na IP3 receptory 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 očně specifická proteinkináza C (PKC) známá jako InaC. Tyto proteiny interagují s jinými proteiny a bylo prokázáno, že jsou nezbytné pro vypnutí světelné odezvy. Kromě toho proteiny zvané arrestiny vážou metarhodopsin a zabraňují jeho aktivaci většího množství Gq. Výměník sodíku a vápníku známý jako CalX odčerpává vápník z buňky. Používá vnitřní sodíkový gradient k exportu vápníku při stechiometrii 3 Na+/ 1 Ca++.
TRP, InaC a PLC tvoří signalizační komplex vazbou lešenářského proteinu nazývaného InaD. InaD obsahuje pět vazebných domén nazývaných PDZ doménové proteiny, které specificky vážou C terminály cílových proteinů. Narušení komplexu mutacemi buď v PDZ doménách nebo cílových proteinech snižuje účinnost signalizace. Například narušení interakce mezi InaC, protein kinázou C a InaD má za následek zpoždění inaktivace světelné odezvy.
Na rozdíl od obratlovců metarhodopsin může být bezobratlý metarhodopsin přeměněn zpět na rhodopsin absorbováním fotonu oranžového světla (580 nm).
Přibližně dvě třetiny mozku rodu Drosophila se věnují vizuálnímu zpracování. Ačkoliv prostorové rozlišení jejich zraku je výrazně horší než u lidí, jejich časové rozlišení je přibližně desetkrát lepší.
Křídla mouchy jsou schopna tlouct až 220 krát za sekundu. Mouchy létají přímými sekvencemi pohybu, které se prolínají rychlými zatáčkami zvanými saccades. Během těchto zatáček je moucha schopna otočit se o 90 stupňů za méně než 50 milisekund.
Dlouho se mělo za to, že charakteristikám letu Drosophily dominuje spíše viskozita vzduchu než setrvačnost těla mouchy. Tento názor byl zpochybněn výzkumem v laboratoři Michaela Dickinsona, který ukázal, že mouchy provádějí nakloněné zatáčky, kde moucha zrychluje, zpomaluje při zatáčení a na konci zatáčky opět zrychluje, což naznačuje, že dominantní silou je setrvačnost, jako je tomu u větších létajících zvířat. Následné práce však ukázaly, že zatímco viskózní účinky na hmyzí tělo během letu mohou být zanedbatelné, aerodynamické síly na křídlech samotných ve skutečnosti způsobují viskózní utlumení zatáček oct.
Gilbert S.F. (2000). Developmental Biology. 6. vydání, Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2000.