Дрозофила - модельный организм для генетических исследований

вид плодовой мухи из рода дрозофил, наиболее часто использующийся в генетических) —двукрылое насекомое, вид плодовой мухи из рода дрозофил, наиболее часто использующийся в генетических экспериментах (во второй половине XX века дрозофила стала одним из основных модельных организмов) —двукрылое насекомое, вид плодовой мухи из рода дрозофил, наиболее часто использующийся в генетических экспериментах (во второй половине XX века дрозофила стала одним из основных модельных организмов также для биологии развития).

В современной биологической литературе часто упоминается как просто «дрозофила» или «плодовая мушка».

лат. Drosophila 
от др.-греч. δρόσος — роса, влага + φιλέω — любить

до взрослой мухи.
Дрозофила может давать до 40 поколений, тогда как человеку для этого потребуется 1000 лет.

плодовитость. Одна оплодотворенная самка за всю жизнь даёт ~400 потомков.

способность мушек к обширному мутагенезу позволяет достаточно быстро накапливать данные при изучении многих биохимических и эволюционных процессов

соматических клетках самца и самки дрозофилы содержится по 4 пары хромосом (2n = 8): три пары аутосом и одна пара половых хромосом

дрозофилу разводить дешево и менее трудоемко по сравнению с другими лабораторными животными.

от космической радиации для космонавтов.
На дрозофилах исследуют влияние невесомости и условий космоса на иммунитет.

«Дом» дрозофил
в лаборатории

«Космический дом» дрозофил

На спутнике «Фотон-М» 2014 г.

organism used in this experiment in close-breeding was Drosophila ampelophila Low, a small dipterous insect known under various popular names such as "the little fruit fly, pomace fly, vinegar fly, wine fly, and pickled fruit fly " ….»
«Организм, использованный в этом эксперименте называется Drosophila ampelophila Low, небольшое двукрылое насекомое, известное под различными бытовыми названиями, такими как "маленькая фруктовая мушка, жмыховая мушка, уксусная мушка, винная мушка и маринадная мушка " ...»

Henry Sturtevant
(1891–1970)

Herman Joseph Muller
(1890–1967)

Calvin Blackman 
Bridges
(1889–1938)

В 1915 г. вышла их книга «Механизм менделевской наследственности» («The Mechanism Heredity»), в которой сообщалось, что наследственность подчиняется вполне определенным законам и описывается точными количественными методами.
«За открытия, связанные с выяснением роли хромосом в наследственности» в 1933 г. Т. Морган был удостоен звания лауреата Нобелевской премии. В 1946 г эту премию получил Г. Мёллер «За разработку метода получения мутаций с помощью рентгеновских лучей».

который вначале был столь же ярым противником Менделя и решил его опровергнуть на другом объекте - кроликах. Однако попечители Колумбийского университета, где работал Морган, сочли кроликов чересчур дорогими; Морган не пал духом и использовал для опытов крошечную плодовую мушку - дрозофилу. Дрозофила стала классическим объектом генетики - редчайший случай, когда скупость снабженцев оказала науке неоценимую услугу! Дело в том, что за год можно получить 25 поколений дрозофил и разместить на одном лабораторном столе их многотысячные «стада»».
Медников Б.М., Дарвинизм в XX веке, М., «Советская Россия», 1975 г., с. 25.

Почему Т. Морган стал использовать дрозофилу?

основоположников популяционной и радиационной генетики

«Действие рентгенлучей на наследственную мутабильность дрозофилы» 28 июня 1929 г.
– одна из первых работ.

Фрагмент рукописи

Трехмиллиметровая мушка с тигровым брюшком. Если бы я писал научно-популярную книгу, я бы прежде всего воспел дрозофилу, сочинил бы нечто вроде оды этому насекомому, верному помощнику тысяч генетиков начиная с 1909 года. Оду за ее откровенность. Или за ее болтливость. Болтливый объект, который хорош тем, что так плохо хранит тайны природы. Трудно оценить, какую большую службу сослужила дрозофила науке…»
Даниил Гранин «Зубр»

Тимофеев-Ресовский с начала 1920-х годов участвовал в работе неформального семинара, организованного группой С. С. Четверикова в институте Н. К. Кольцова («Дрозсоор», или «совместное орание по поводу дрозофилы»), из которого вышли многие советские генетики.

Мутацию не спутать с нормальной. Глаза красные, глаза белые. Во всех серьезных лабораториях мира работают на дрозофиле. Невежды любят говорить о том, что дрозофила не имеет хозяйственного значения. Но никто и не пытается вывести породу жирномолочных дрозофил. Они нужны, чтобы изучать законы наследственности. Законы эти одинаковы для мухи и для слона. На слонах получите тот же результат. Только поколение мух растет за две недели. Вместо того, чтобы из мухи делать слона, мы из слона делаем муху!

Один из учеников Зубра Николай Викторович Лучник записал
речь учителя во славу дрозофилы:

в 1934 г.

Впервые в истории науки генетики возникает идея о мутировании не как о мгновенном акте, а как о процессе, текущем во времени, имеющем обратимый характер. Т.о. была высказана мысль о возможности восстановления клетки, находящейся в предмутационном состоянии. Следовательно, открылась возможность вмешательства в процесс становления мутаций, т.е. возможность как ускорения, так и замедления его течения.
Впервые был поставлен и вопрос о роли системного, организменного контроля мутационного процесса.

значение
ряда хромосомных мутаций. Исследуя ступенчатый аллелизм впервые сделал вывод о делимости гена и его сложной линейной структуре.

Иосиф Абрамович
Рапопорт
(1912-1990)

Николай Николаевич
Соколов
(1902 – 1975)

Борис Николаевич
Сидоров
(1908 – 1980)

Учёные-эволюционисты. Изучали виды-двойники дрозофил, поскольку только на этом материале можно провести точный генетический анализ первичных изолирующих барьеров между видами. Вместе с Дубининым создали трех- и пятихромосомные расы дрозофил.

Развитии химического мутагенеза и создание химических супермутагенов, в сотни раз повышающих уровень спонтанного мутирования.

и А.А. Прокофьевой-Бельговской был открыт и изучен «эффект положения» генов, когда нормальный ген, будучи искусственно перенесен в другое место хромосомы, менял характер своего проявления. Этот феномен является и ныне одной из горячих точек современной науки.

Александра Алексеевна
Прокофьева-Бельговская
(1903—1984)

Отечественные учёные, работавшие с дрозофилой

Prokofyeva-Belgovskaya A.A. «The Structure of the Y Chromosome in the Salivary Glands of Drosophila melanogaster. Genetics.1937».

эффект положения
гена white

ответственных за ключевые стадии онтогенеза. Провела анализ гомеозисной мутации spineless-aristаpedia. Отметила, что мутация «выбивает» измененных мух за пределы класса насекомых.

Мутация в гене spineless превращает аристы в лапки

Отечественные учёные, работавшие с дрозофилой

Дикий тип

Мутант

мутацию tetraptera и заметил, что эта мутация переносит мух за пределы отряда двукрылых.
Эти мутации можно рассматривать как изменения одного гена, ведущие к неотении – возврат к предковым формам.

Bithorax

органы имаго.
Льюис обнаружил коллинеарность во времени и пространстве между порядком генов в комплексе bithorax и структурой органов в сегментах.
Исследователь получил Нобелевскую премию по медицине в 1995 г.

Эдвард Льюис
Edward B. Lewis
(1918 – 2004)

Томас Кауфман
Thomas C. Kaufman

Molecular and Genetic Organization of The Antennapedia Gene Complex of Drosophila melanogaster

Американские учёные, изучавшие
гомеозисные (Hox) гены дрозофилы в 50-60х гг.

Antennepedia

Трансформация гальтеров в крылья
комплекс генов bithorax

система морфогенов определяет сегментацию абдоминальной области.
Третья «терминальная» система морфогенов отвечает за формирование несегментированных переднего (акрона) и заднего (тельсона) концов эмбриона.
Четвёртая система морфогенов контролирует становление паттерна вдоль D/V-оси.

Открытие К.Нюсляйн-Вольхард и Э. Вишауса:
Четыре системы морфогенов участвуют в поляризации эмбриона дрозофилы

Кристина
Нюсляйн-Вольхард

Эрик
Вишаус

Dorsal

A

A

A

P

P

P

D

V

Получили Нобелевскую премию вместе с Льюисом в 1995 г.

СЕГМЕНТАЦИИ ЭМБРИОНА И ИМАГО ДРОЗОФИЛЫ

КАК ИЗУЧАЛИ?
Получали мутантов с нарушением порядка сегментов

генотипом матери.

А

Р

Базельского университета.
"There's a genetic eye program, a leg program, a wing program, and the homeotic genes are the master switches which turn on these various programs"
Известен своими выдающимися достижениями в области генетики развития Дрозофилы, изучения генов теплового шока, транспозонов и гомеозисных генов.
Его группе принадлежит открытие гомеобокса.

Можно управлять работой генов: эксперименты Вальтера Геринга

Pax-6

eyeless

Эктопическая экспрессия гена eyeless

Ген человека
Pax-6

Ген дрозофилы
eyeless

of altering cell fates and generating dominant phenotypes // Development. 1993. V. 118. P. 401-415

UAS - Upstream Activated Sequences - дрожжевой промотор, который активируется дрожжевым регуляторным белком GAL4

GAL4 под контролем специфических промоторов – коллекционные линии.
Создание линии трансгенных дрозофил, содержащих изучаемый ген под контролем дрожжевых сайтов UAS (молчат в геноме мухи).
Совмещение в одном генотипе двух компонентов системы простым скрещиванием.

Тканеспецифический промотор

Изучаемый ген

гена тубулина;
Под UAS подставлен, например, ген человека PAX-6

UAS-трансген экспрессирует РНК-шпильку, комплеиентарную гену eyeless.

UAS

после тепловой обработки (а)
Тот же участок хромосомы до тепловой обработки (b).

у дрозофилы, были российские ученые Г.П. Георгиев и В.А. Гвоздев и трое их молодых сотрудников Ю. Ильин, Н. Чуриков и Е. Ананьев.
Открытие было сделано ими в 1976 году.

Владимир Алексеевич
Гвоздев

Георгий Павлович
Георгиев

Исторический снимок впервые обнаруженных мобильных элементов (черные точки – сайты гибридизации) дрозофилы , сделанный Е. Ананьевым в 1976 году (Georgiev G.P. et al. Isolation of eukaryotic DNA fragments containing structural genes and the adjacent sequences. Science. 1977)

Гибридизация in situ на хромосомах

с мобильным Р-элементом

Дикий тип

Гибридизация с фрагментом гена

есть (красные стрелки)

Хромоцентра нет

К чему могут привести мутации таких генов у человека?
Нерасхождение хромосом, и, как следствие, синдром Дауна, например.
Дерепрессия онкогенов или репрессия генов-онкосупрессоров – опухоли, рак

человека?
- На биохимическом уровне (на уровне клетки) дрозофила и человек устроены одинаково.
- Гены человека (мыши, крысы и т.д.), в отличие от дрозофилы, часто представлены в геноме многими копиями, что затрудняет исследование функций этих генов.

«включаются» при ранозаживлении

Были открыты 2 сигнальных пути, контролирующие ранозаживление: JNK и DPP

Мутанты с «дырой» на спине

JNK

DPP

61 % известных человеческих заболеваний имеют узнаваемое соответствие в генетическом коде плодовой мушки, 50 % белковых последовательностей имеют аналоги у млекопитающих.

заболеваниями (продолжение)

канальцев

Глаукома

Morgan - the role played by chromosomes in heredity

1946 Hermann Joseph Muller - the production of mutations by means of X-ray irradiation

1995 Edward B. Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard, Eric F. Wieschaus - the genetic control of early embryonic development

2011 Bruce A. Beutler, Jules A. Hoffmann, - the activation of innate immunity and Ralph M. Steinman for his discovery of the dendritic cell and its role in adaptive immunity

2017 Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash and Michael W. Young - molecular mechanisms controlling the circadian rhythm