Fruktflugan Drosophila melanogaster introducerades som modellorganism i genetiska experiment av Thomas Morgan 1909 och är fortfarande en av de mest älskade modellorganismerna bland forskare som studerar djurs embryonal utveckling. Liten storlek, snabba generationsskiften, hög fruktsamhet och genomskinlighet hos embryon gör Drosophila till ett idealiskt objekt för genetisk forskning.
Drosophila har en holometabolisk livscykel - tre separata stadier av postembryonal utveckling, som skiljer sig i kroppsstruktur: larv , puppa och vuxen . Under embryogenes bildas de strukturer som är nödvändiga för organismens funktion under dessa faser och övergången mellan dem. Som ett resultat av embryogenes bildas en fluglarv. Larven innehåller imaginära skivor - grupper av celler, från vilka de vuxna strukturerna sedan bildas. I puppstadiet förstörs larvens vävnader, och vävnader från den vuxna organismen bildas från de imaginära skivorna. Denna utveckling kallas utveckling med fullständig metamorfos .
Drosophila embryogenes är unik bland andra modellorganismer genom att dess fragmentering är ofullständig . Som ett resultat av krossning bildas syncytium . Cirka 5000 kärnor ackumuleras i den odelade cytoplasman och migrerar sedan till ytan av oocyten. Cellularisering sker - bildandet av individuella plasmamembran, medan cellerna som omger gulesäcken isoleras . De polära cellerna ( primordiala könsceller ) är de första som separeras vid embryots bakre ände.
Som med andra treskiktiga flercelliga organismer leder gastrulation till bildandet av tre groddlager - endoderm , mesoderm och ektoderm .
Mesodermen invaginerar längs den ventrala skåran. Mellantarmen bildas av ektoderm. Polära celler internaliseras på ett annat sätt. Den embryonala sträckan förlängs, den bakre delen, inklusive baktarmen, sträcker sig och expanderar mot den främre änden längs embryots dorsala sida. I de tidiga stadierna av segmenteringen bildas intersegmentella spår. Vid tidpunkten för bildandet av luftstrupen uppträder de första tecknen på andningsaktivitet. Indragning av groddremsan återför baktarmen till den dorsala sidan av embryots bakre ände. De återstående stadierna inkluderar internaliseringen av nervsystemet (av ektodermalt ursprung) och bildandet av inre organ.
Ett av de bäst studerade exemplen på utvecklingsmönster längs den anteroposteriora axeln är morfogengradientberoende anteroposterior kroppsaxelbildning hos fruktflugan Drosophila melanogaster . Vissa andra flercelliga organismer använder liknande mekanismer för att bilda kroppsyxor, även om den relativa betydelsen av signalering mellan primärcellerna hos många utvecklande organismer är högre än i det beskrivna fallet.
Grunden för bildandet av den främre-bakre axeln läggs under bildandet av ägget ( oogenes ), långt före ögonblicket för befruktning och äggläggning.
Under oocytmognaden syntetiserar ammande celler stora mängder RNA och proteiner, som överförs till den mognad oocyten via cytoplasmatiska bryggor. De flesta av dessa molekyler behövs under de första två timmarna av Drosophila embryonala utveckling, innan transkription börjar i zygoten . Den utvecklande oocyten har mRNA- koncentrationsgradienter . Generna som kodar för sådana mRNA kallas för maternal effektgener . Bicoid och puckelrygg är gener för modern effekt som är av särskild betydelse vid bildandet av de främre delarna av Drosophila-embryot (huvud och bröstkorg). Nanos och Caudal är gener för maternal effekt som bestämmer bildandet av de bakre buksegmenten av Drosophila-embryot.
I ägget omorganiseras mikrotubuli under oogenesen . För det första är organiseringscentret för mikrotubuli placerat vid oocytens bakre pol och mikrotubulierna riktas med sina ± ändar mot oocytens främre pol. Men före bildandet av mRNA-gradienter av generna bicoida och nanos , vänder lokaliseringen av organisationscentrum och positionen för mikrotubuli: under denna period riktas de med sina ± ändar mot äggets bakre pol [1] . mRNA från den bicoida genen binder till mikrotubuli och ackumuleras i den främre änden av de utvecklande Drosophila-äggen. I obefruktade ägg är avskrifterna placerade längst ut på spetsen av framsidan av ägget. Nya data indikerar att omedelbart efter befruktning bildas en mRNA-gradient som ett resultat av riktad diffusion av mRNA i ägget, uppenbarligen längs det perifera nätverket av mikrotubuli med deltagande av proteinprodukten från Staufen-genen. [2]
Nanos mRNA är associerat med äggets cytoskelett, men är beläget i den bakre änden av ägget. mRNA från Hunchback- och kaudalgenerna förlorar sina positionskontrollsystem och fördelas nästan jämnt över hela äggvolymen.
När mRNA från generna med maternal effekt översätts till proteiner, finns det gradienter av Bicoid-protein vid äggets främre pol och Nanos-protein vid den bakre polen. Det bicoida proteinet blockerar translation av mRNA från det kaudala proteinet , och därför produceras proteinprodukten från denna gen endast i den bakre änden av ägget. Nanos-proteinet binder puckelryggs -mRNA och blockerar dess translation vid den bakre änden av Drosophila-embryot.
Proteinerna Bicoid , Hunchback och Caudal är transkriptionsfaktorer . Bicoid har en DNA-bindande homeodomän som binder nanos DNA och mRNA . Bicoid binder till en specifik sekvens på den 3' otranslaterade regionen av det kaudala mRNA:t och blockerar translation.
Nivån av Hunchback-protein i det tidiga embryot ökar markant på grund av translationen av mRNA, som redan bildas av zygoten. Under den tidiga embryogenesen av Drosophila sker kärndelning utan delning av cytoplasman. Många av de resulterande kärnorna divergerar till cytoplasmans periferi. Genuttryck i dessa kärnor regleras av proteinerna Bicoid, Hunchback och Caudal. Till exempel är Bicoid en transkriptionell aktivator av puckelryggsgenen .
Användningen av platsriktad mutagenes gör det möjligt att förändra geners funktioner och följa förändringar i embryogenes . Det finns sätt att märka Drosophila-proteiner med fluorescerande proteiner, till exempel ( GFP ). Således är det möjligt att övervaka dynamiken i fördelningen av proteinprodukten i cellen. Drosophila - genomet har sekvenserats fullständigt . Forskare kan hitta ortologer av gener av intresse i Drosophila-genomet och studera deras bidrag till embryogenes.