Дрозофила - модельный организм для генетических исследований

1. Дрозофила - модельный организм для генетических исследований

Дрозофила модельный организм
для генетических исследований
Сеймур Бензер с моделью дрозофилы

2. Википедия

• Дрозофила фруктовая, дрозофила
малая, или дрозофила
обыкновенная (Drosophila
melanogaster) —
двукрылое насекомое, вид плодовой
мухи из рода дрозофил, наиболее
часто использующийся
в генетических экспериментах (во
лат. Drosophila
второй половине XX века дрозофила от др.-греч. δρόσος — роса,
стала одним из основных модельных влага + φιλέω — любить
организмов также для биологии
развития).
В современной биологической литературе часто упоминается как
просто «дрозофила» или «плодовая мушка».

3. Почему дрозофила – удобный модельный объект?

Очень короткий
срок развития от
яйца до взрослой
мухи.
Дрозофила может
давать до 40
поколений, тогда
как человеку для
этого потребуется
1000 лет.

4. Почему дрозофила – удобный модельный объект?

• Легко отличать
самца от самки
• Исключительная
плодовитость.
Одна
оплодотворенная
самка за всю жизнь
даёт ~400 потомков.

5. Почему дрозофила – удобный модельный объект?

Основные
маркерные
мутации хорошо
различимы
Богатство мутаций,
способность мушек к
обширному
мутагенезу позволяет
достаточно быстро
накапливать данные
при изучении многих
биохимических и
эволюционных
процессов

6. Почему дрозофила – удобный модельный объект?

Малое число хромосом
2
3
4
Самец
2
3
4
Самка
соматических клетках самца и самки дрозофилы содержится по 4
•Впары
хромосом (2n = 8): три пары аутосом и одна пара половых
хромосом
Уникальные политенные хромосомы

7. Почему дрозофила – удобный модельный объект?

• Питательные среды достаточно простые, что
позволяет дрозофилу разводить дешево и менее
трудоемко по сравнению с другими лабораторными
животными.

8.

Исследования дрозофил в космосе
«Дом» дрозофил
в лаборатории
На спутнике «Фотон-М» 2014 г.
«Космический дом»
дрозофил
•Исследования «космических мух» помогут найти механизмы защиты от
космической радиации для космонавтов.
•На дрозофилах исследуют влияние невесомости и условий космоса на
иммунитет.

9.

• Кто и когда первый стал
использовать дрозофилу в
экспериментах?

10. Кто первый стал использовать дрозофилу в экспериментах?

Кастл и Карпентер, 1906 г.
«The organism used in this experiment in closebreeding 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 " ...»

11. Томас Морган и ученики авторы хромосомной теории наследственности

Thomas Hunt
Morgan
(1866–1945)
Alfred 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».

12.

Почему Т. Морган стал использовать дрозофилу?
«Колоссально много для развития учения о наследственности
сделал американец Томас Морган, 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.

13. Отечественные учёные, работавшие с дрозофилой

Николай Владимирович
Тимофеев-Ресовский
(1900-1981)
- один из основоположников
популяционной и
радиационной генетики
Фрагмент рукописи
«Действие рентгенлучей на
наследственную мутабильность
дрозофилы» 28 июня 1929 г.
– одна из первых работ.

14.

«…Мушка называлась дрозофила.
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»
Н.И. Вавилов, Т. Морган
и Н.В. Тимофеев-Ресовский
Итака. 1932 г.
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.

15.

Один из учеников Зубра Николай Викторович Лучник записал
речь учителя во славу дрозофилы:
- Незаменимый объект! Быстро размножается. Потомство большое.
Наследственные признаки четкие. 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!

16. Отечественные учёные, работавшие с дрозофилой

М.Е. Лобашев изучал
мутагенное действие химических
веществ 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.

17. Отечественные учёные, работавшие с дрозофилой

Николай Петрович
Дубинин
(1907-1998)
В 30-х годах показал
адаптивное значение
ряда хромосомных мутаций.
Исследуя ступенчатый
аллелизм впервые сделал
вывод о делимости гена и его
сложной линейной структуре.
Иосиф Абрамович
Рапопорт
(1912-1990)
Развитии химического
мутагенеза и создание
химических
супермутагенов, в сотни
раз повышающих уровень
спонтанного мутирования.
Николай Николаевич Борис Николаевич
Соколов
Сидоров
(1902 – 1975)
(1908 – 1980)
Учёные-эволюционисты. Изучали видыдвойники 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.

18. Отечественные учёные, работавшие с дрозофилой

В середине 30-х годов учеными Н.П.
Дубининым, Б.Н. Сидоровым, В.В.
Хвостовой и А.А. ПрокофьевойБельговской 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.
эффект положения
гена white
Александра Алексеевна
Прокофьева-Бельговская
(1903—1984)
Prokofyeva-Belgovskaya A.A. «The Structure of
the Y Chromosome in the Salivary Glands of
Drosophila melanogaster. Genetics.1937».

19.

Отечественные учёные, работавшие с
дрозофилой
Дикий тип
Мутант
Елизавета Ивановна
Балкашина
Мутация в гене spineless
превращает аристы в лапки
(1899—1981)
Открыла в 1928 году у дрозофил группу генов, ответственных за
ключевые стадии онтогенеза. Провела анализ гомеозисной мутации
spineless-aristаpedia. Отметила, что мутация «выбивает» измененных
мух за пределы класса насекомых.

20. Отечественные учёные, работавшие с дрозофилой

В 1927 году открыл гомеозисную 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.
Борис Львович
Астауров
(1904-1974)
Bithorax

21.

Американские учёные, изучавшие
гомеозисные (Hox) гены дрозофилы в 50-60х гг.
Эдвард Льюис изучал
гомеозисные гены, которые
управляли развитием
сегментов личинки в 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

22.

Проявление гомеозисных мутаций у Drosophila
Трансформация антенны в ногу
комплекс генов Antennepedia
Трансформация гальтеров в крылья
комплекс генов bithorax
bithorax

23.

Пример гомеозисных мутаций: выключение гена
proboscipedia у дрозофилы и клопа

24. Пример гомеозисных мутаций у растений

Превращение тычинки в лепесток

25. Эволюционный консерватизм организации и специфичности комплексов гомеозисных генов

Bithorax Complex
Antennepedia Complex
Hoxb

26.

План строения взрослого организма
закладывается в эмбриогенезе

27.

Общая модель формирования передне-задних градиентов
Bcd Hb

28.

Открытие К.Нюсляйн-Вольхард и Э. Вишауса:
Четыре системы морфогенов участвуют в поляризации эмбриона
дрозофилы
Dorsal
A
P
A
P A
P
D
V
Первая «передняя» система морфогенов,
определяет области головы и груди.
Вторая «задняя» 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.
Кристина
Нюсляйн-Вольхард
Эрик
Вишаус
Получили Нобелевскую премию вместе с
Льюисом в 1995 г.

29.

W. Driever, V. Siegel, C. NüssleinVolhard. 1990. Development. 109:811–
820.
Эмбрионы дрозофилы
КАК ИЗУЧАЛИ?
Получали мутантов
с нарушением
порядка сегментов
Дикий тип
Bicoid mutant
СРАВНЕНИЕ СЕГМЕНТАЦИИ
ЭМБРИОНА И ИМАГО
ДРОЗОФИЛЫ

30. Поляризация ооцита

А
Р
Задний
морфоген
Передний
морфоген
•Ооцит дрозофилы
поляризован.
•Оси полярности будущего
эмбриона предопределены
генотипом матери.

31.

Можно управлять работой генов: эксперименты Вальтера Геринга
Эктопическая экспрессия гена eyeless
Вальтер Геринг, 1938 г. рождения
(Walter Jakob Gehring)
Профессор биологии развития и генетики
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.
Pax-6
Ген человека
Pax-6
eyeless
Ген дрозофилы
eyeless

32. Система GAL4-UAS

Brand A.H., Perrimon N. Targeted gene expression as a means 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

33.

Принцип работы системы GAL4-UAS
•Создание линий трансгенных дрозофил, нарабатывающих дрожжевой белок
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.
Линия-драйвер GAL4
Тканеспецифический промотор
Линия-реcпондер
Изучаемый ген

34. Техника GAL4-UAS позволяет специфично контролировать экспрессию гена

UAS
Убиквитарная
экспрессия
GAL4 под
промотором
гена тубулина;
Под UAS
подставлен,
например, ген
человека PAX-6
Мисэкспрессия
Подавление
UAS-трансген
экспрессирует
РНК-шпильку,
комплеиентарную
гену eyeless.

35. Политенные хромосомы слюнных желёз личинок

Политенные хромосомы слюнных
Личинка
желёз личинок
0,1 мм
Tub-GAL4>UAS-GFP
Обычные хромосомы дрозофилы

36. Визуализация и картирование хромосомных перестроек

Делеция
Инверсия

37.

Мы можем «видеть» линейно организованное
расположение генов в хромосоме
cut
ocelliless

38. Мы можем видеть работу генов в хромосоме

Формирование ПУФОВ генами теплового шока после
тепловой обработки (а)
Тот же участок хромосомы до тепловой обработки (b).

39. Мобильные генетические элементы («прыгающие» гены) дрозофилы

Гибридизация in situ на хромосомах
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)
Первыми, кому удалось открыть
мобильные элементы 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 Георгий Павлович
Гвоздев
Георгиев

40. Картирование генов с помощью гибридизации in situ радиоактивного ДНК-зонда на хромосомах

Мутант
Гибридизация с мобильным Р-элементом
Х-хромосома
Гибридизация с фрагментом гена
Дикий тип
Х-хромосома

41. Выявление мест связывания с ДНК изучаемого белка

Окраска
антителами к
Polycomb

42. Можно выявлять гены, нарушающие упаковку хроматина и структуру хромосом

Дикий тип
Хромоцентр есть (красные стрелки)
Мутант
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

43.

Как использовать дрозофилу для понимания
биохимических процессов, генетики и
наследственных болезней 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.

44. Как использовать дрозофилу для изучения генов человека?

45. Гены, контролирующие спинное закрытие у эмбрионов дрозофилы, есть у человека, они «включаются» при ранозаживлении

JNK
Мутанты с «дырой» на спине
Были открыты 2 сигнальных пути,
контролирующие ранозаживление: JNK и DPP
DPP

46. Гены дрозофилы, гомологи которых у человека связаны с заболеваниями

Кардиомиопатия
Диабет
Мышечная дистрофия
Рак лёгких
Около 61 % известных человеческих заболеваний имеют узнаваемое соответствие
в генетическом коде плодовой мушки, 50 % белковых последовательностей имеют
аналоги у млекопитающих.

47.

Гены дрозофилы, гомологи которых у человека
связаны с заболеваниями (продолжение)
Колики
Рак прямой кишки
Диабет
Глухота
Болезнь Паркинсона

48.

Гены дрозофилы, гомологи которых у человека
связаны с заболеваниями (продолжение)
Лейкемия
Фиброматоз
Эпилепсия
Глаукома
Умственная отсталость

49.

Гены дрозофилы, гомологи которых у человека
связаны с заболеваниями (окончание)
Глаукома
Миопатия
Ацидоз почечных канальцев

50. Nobel prizes for work on Drosophila

1933
Thomas Hunt
Morgan - the role played
by
chromosomes
in
heredity
1946 Hermann Joseph
1995 Edward B. Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard,
Muller - the production
of mutations by means
of X-ray irradiation
Eric F. Wieschaus - the genetic control of early
embryonic development
2011 Bruce A. Beutler, Jules A. Hoffmann, - the
2017 Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash and Michael
activation of innate immunity and Ralph M.
Steinman for his discovery of the dendritic cell and
its role in adaptive immunity
W. Young - molecular mechanisms controlling the
circadian rhythm

51. Благодарю за внимание!