Organizmy modelowe – cechy, przykłady. Wprowadzenie do genetyki muszki owocowej Drospohila melanogaster. Obserwacja mutantów.
Cechy organizmu modelowego do badań genetycznych:
· małe rozmiary
· duża rozrodczość
· krótki cykl życiowy
· łatwość hodowli
· niskie koszty hodowli
· niepatogenność
· łatwość indukcji mutacji
· mały genom
· brak dylematów etycznych
Organizmy modelowe:
· bakterie: Escherichia coli (pałeczka okrężnicy)
· grzyby: Saccharomyces cerevisiae (drożdże piekarnicze)
· nicienie: Caenorhabditis elegans
· owady: Drosophila melanogaster (muszka owocowa)
· rośliny: Arabidopsis thaliana (rzodkiewnik Thala)
· ssaki: Mus musculus (mysz domowa), Rattus norvegicus (szczur norweski)
Charakterystyka muszki owocowej (Drosophila melanogaster)
Systematyka
Domena: eukariota (Eukaryota)
Królestwo: zwierzęta (Animalia)
Typ: stawonogi (Arthopoda)
Podtyp: tchawkowce (Tracheata)
Gromada: owady (Insecta)
Podgromada: uskrzydlone (Pterygota)
Rząd: muchówki (Diptera)
Podrząd: krótkoczółkie (Brachycera)
Rodzina: wywilżankowate (Drosophilidae)
Rodzaj: drozofila (Drosophila)
Gatunek: muszka owocowa (Drosophila melanogaster)
Nazwa muszka owocowa (owocówka, octówka - ang. fruit fly) pochodzi stąd, iż owady te odżywiają się drożdżami i bakteriami znajdującymi się na gnijących owocach. Najliczniej pojawia się jesienią nad fermentującymi owocami, konfiturami, octem. Przywabiają je także zapachy produktów takich jak wino, konfitury, dżemy i ocet. Muszka owocowa jednak nie należy do prawdziwych much owocowych, ponieważ nie rozmnaża się w owocach rosnących na drzewie. Z tego powodu nie jest uznawana za szkodnika upraw rolniczych, ale może powodować straty w przetworach owocowych.
Do klasycznych badań genetycznych została wprowadzona w 1909 roku przez W. E. Castle i T. H. Morgana i do dziś odgrywa istotną rolę przy rozwiązywaniu szeregu problemów naukowych. Muszka owocowa posiada wiele cech organizmu modelowego. Najważniejsze z nich to:
Ø organizm diploidalny i rozdzielnopłciowy,
Ø krótki (zależny od temperatury hodowli) cykl życiowy (10 dni w 25 oC – warunki optymalne – 20-25oC, 15 dni w 20 oC, 19 dni w 18 oC, hodowla w temperaturze powyżej 30oC traci zdolność rozmnażania i po pewnym czasie zamiera),
Ø samica może być zapłodniona tylko raz w życiu, całe jej potomstwo ma jednego ojca,
Ø duża liczba potomstwa (samica składa 200—300 jaj),
Ø niewielkie rozmiary 2-3 mm (w 1 butelce hodowlanej można hodować kilkaset osobników),
Ø proste i tanie metody hodowli,
Ø formy dorosłe można rozróżniać dzięki występowaniu dymorfizmu płciowego
Ø mały genom, tylko 4 pary chromosomów, 3 pary autosomów i 1 para chromosomów płci allosomów (X i Y) (XY – samce, heterogametyczne; XX – samice, homogametyczne).
Ø obecność u larw chromosomów olbrzymich (politenicznych),
Ø łatwość uzyskiwania mutantów do badań,
Ø obecność u Drosophila genów, które przypominają budową i działaniem geny człowieka.
Cykl życiowy
STADIA HAPLOIDALNE
STADIA DIPLOIDALNE
Ryc. 1. Cykl życiowy Drosophila melanogaster. Żródło: A. G. Atherly, J. R. Girton, J. F. McDonald, 1999. (Sadakierska-Chudy i in. Genetyka ogólna. Skrypt do ćwiczeń dla studentów biologii).
Na cykl życiowy Drosophila składa się 5 stadiów rozwojowych: jajo, embrion, larwa, poczwarka i postać dorosła (ryc. 1). Czas trwania tych stadiów zależy od temperatury hodowli.
W temperaturze 25°C czas trwania poszczególnych stadiów wynosi:
Ø rozwój embrionalny 1 dzień
Ø larwa I stadium 1 dzień
Ø larwa II stadium 1 dzień
Ø larwa II stadium 2 dni
Ø poczwarka 5 dni
Ø forma dorosła (imago) 40—50 dni
Jajo Drosophila jest 90000 razy większe od typowej komórki owada, jego długość wynosi ok. 0,5 mm. Ma białawy kolor, od zewnątrz chronione jest przez błonę zwaną chorionem. Z przednio-grzbietowej powierzchni wystaje para nici nazywanych filamentami, one chronią jajo przed zatopieniem w miękkim podłożu, na które może być składane. Dojrzałe jaja mają dobrze wykształcone i widoczne struktury zewnętrzne i wewnętrzne. Samica składa zapłodnione jaja i wewnątrz błon jajowych odbywa się rozwój embrionalny.
Pierwszy podział mitotyczny zygoty następuje już 7—10 minut po zapłodnieniu jaja, dzielą się tylko jądra bez podziału cytoplazmy. W wyniku kolejnych podziałów powstaje komórka z wieloma niezależnymi jądrami (ryc. 2.), nazywana syncytium jądrowym. W procesie gastrulacji wyodrębniają się trzy typy komórek (mezoderma, endoderma, ektoderma), które dają początek wszystkim elementom ciała larwy i dorosłego owada. Z zapłodnionego jaja, po około 24 godzinach od momentu złożenia (w temp. 25°C), wylęga się larwa.
Ryc.2. Rozkład komórek w jaju muszki owocowej. Nieprawidłowe ułożenie komórek u mutanta powoduje powstanie muchy z dwiema głowami rozmieszczonymi na końcach ciała. (J. Piątkowski Genetyka w ćwiczeniach).
Ryc. 3. Powstanie narządów postaci dorosłej D. melanogaster z dysków maginalnych larwy. Żródlo: A. G. Atherly, J. R. Girton, J. F. McDonald, 1999. (Sadakierska-Chudy i in. Genetyka ogólna. Skrypt do ćwiczeń dla studentów biologii).
Larwa typu czerw w końcowym stadium może osiągnąć długość do 4,5 mm. Można zaobserwować u niej biegnące wzdłuż ciała dwa pnie tchawkowe, tzw. hak głowowy i gonady. Gonady są dobrze widoczne i leżą w tylnej połowie ciała, wzdłuż boków. Ponieważ jądra są o wiele większe od jajników, dlatego już na tym etapie rozwoju można stosunkowo łatwo określić płeć danego osobnika. Jest to ważne w przypadku, kiedy potrzebne są osobniki tylko jednej płci, np. w doświadczeniach, w których badamy zmiany w chromosomie X wniesionym przez plemniki. W gruczołach ślinowych larwy obecne są tzw. chromosomy olbrzymie (patrz rozdz. 4).
Poczwarka
Czterodniowa larwa tworzy z kutikuli zewnętrzną osłonę zwaną puparium. a w jej wnętrzu za chodzi proces przeobrażenia, czyli metamorfoza. Puparium początkowo miękkie i białe, z czasem twardnieje i ciemnieje. W stadium poczwarki dochodzi do szeregu przemian, większa część ciała larwy ulega degeneracji, a ciało dorosłego owada powstaje ze specjalnych prekursorowych grup komórek, nazywanych płytkami imaginalnymi. Płytki mają ściśle określone położenie w ciele larwy i determinują powstanie tylko jednej struktury w ciele owada (ryc. 3). Po zakończeniu metamorfozy przez otwór w puparium wylęga się dorosły osobnik.
Mucha początkowo jest bardzo wydłużona, jasno zabarwiona, z nierozciągniętymi skrzydłami. Jednak w stosunkowo krótkim czasie uzyskuje wygląd dorosłego owada. Muchy szczepu dzikiego mają szarożółtą barwę ciała, duże brązowo-czerwone oczy zbudowane z ommatidiów oraz lirowate skrzydła ułożone wzdłuż osi ciała i wystające poza ciało.
Samice i samce można odróżnić na podstawie kilku cech fenotypowych, najważniejsze z nich to:
a) wielkość osobników: samice z reguły są większe od samców,
b) kształt i barwa odwłoka: odwłok samicy jest zaokrąglony po bokach z kilkoma ciemnymi prążkami; u samców ostatnie dwa segmenty są zlane co daje ciemne zabarwienie odwłoka, ponadto odwłok samca nie jest zaokrąglony,
c) zewnętrzne narządy płciowe znajdują się po stronie brzusznej odwłoka: u samicy obecnych jest 7 płytek zwanych sternitami, płytka vaginalna i płytka analna; u samców widoczne są tylko 3 sternity i na końcu odwłoka wyraźnie ciemno zabarwiony schitynizowany aparat kopulacyjny,
d) u samców na piątym członie stopy I pary odnóży występuje grzebień płciowy zbudowany z 10 szczecin, ułatwiający przytrzymanie samicy w czasie kopulacji.
Ryc. 4. Samica i samiec D. melanogaster oraz a) chromosomy samca, b) chromosomy samicy. Źródło: Biologia, 1989. (Sadakierska-Chudy i in. Genetyka ogólna. Skrypt do ćwiczeń dla studentów biologii).
O tym jaka będzie płeć osobnika w przypadku muszki decyduje stosunek ilości chromosomów płciowych (X) do liczby haploidalnych zestawów autosomów (A). U samic występuje stosunek X/A = 1 (dwa chromosomy X i dwa zestawy autosomów), u samców X/A = 0.5 (jeden chromosom X i dwa zestawy autosomów). Po zastosowaniu środków zaburzających mitozę można uzyskać poliploidy, jak i aneuploidy. Porównanie osobników mających różną liczbę autosomów i chromosomów płciowych wykazuje, że jeśli stosunek X/A ma wartość 0.33 to osobnik ma cech nadsamca i jest bezpłodny. Przy wartości 0.75 i 0.65 – osobniki są obupłciowe a przy wartości 1.5 osobniki są słabymi, krótko żyjącymi, bezpłodnymi nadsamicami.
Fakt, że determinacja płci jest wynikiem równowagi pomiędzy chromosomami X i autosomami sugeruje, że geny warunkujące płeć żeńską są związane z chromosomem X, a geny warunkujące płeć męską związane są z autosomami. Należy podkreślić, iż wskazuje to na brak udziału chromosomu Y w determinacji płci u Drosophila. Takie założenie jest słuszne, gdyż muchy pozbawione chromosomu Y mogą być samcami, są one jednak bezpłodne, bo geny zlokalizowane na tym chromosomie odpowiadają za prawidłową spermatogenezę.
Molekularny mechanizm determinacji płci u muszki owocowej związany jest z niejednakowym u obu płci wycinaniem intronów podczas obróbki hnRNA (heterogenous nuclear RNA), który powstaje na podstawie transkrypcji genów regulatorowych (SxI, tra, dsx) związanych z determinacją płci.
Osobliwym zjawiskiem w determinacji płci u Drosophila jest występowanie nietypowych muszek, zwanych gynandromorfami. Ich powstanie jest wynikiem zajścia mutacji, powodującej nondysjunkcję chromosomów (brak rozdziału lub nierównomierne rozdzielenie się siostrzanych chromatyd (w czasie mitozy) lub homologicznych chromosomów ( w czasie mejozy) w komórkach somatycznych muszki. Jeśli spowoduje to zmianę liczby chromosomów X w komórce, to stosunek X do autosomów również się zmieni, co doprowadzi do zmiany płci tej komórki. Jest to możliwe dlatego, że u muszki płeć jest determinowana niezależnie w każdej komórce. Jeśli taka komórka dalej się dzieli jej potomstwo będzie klonem, który w zależności od miejsca zajmowanego w organizmie może tworzyć organy właściwe płci przeciwnej, niż reszta osobnika. W skrajnych przypadkach utrata chromosomu X już przy pierwszym podziale komórki zaraz po zapłodnieniu, prowadzi do powstania osobnika w połowie żeńskiego, w połowie męskiego. W przypadku ssaków taka sytuacja nie jest możliwa, bo tu powstawanie drugorzędowych cech płciowych jest uwarunkowane hormonalnie.
Genom muszki owocowej
Pięć lat temu udało się określić kolejność nukleotydów dużej części genomu muszki owocowej Drosophila melanogaster. W jądrze każdej komórki tego owada znajduje się około 165 milionów par nukleotydów. Jedna trzecia tej ogromnej ilości DNA wchodzi w skład heterochromatyny - silnie skondensowanych włókien jądra komórkowego, które najczęściej zamiast aktywnych genów zawiera powtarzalne sekwencje nie kodujące żadnych białek. Euchromatyna stanowi 120 milionów par nukleotydów. Genom muszki owocowej zawiera około 10-12 tys. genów.
Prace dotyczące informacji na temat genomu Drosophila:
The genome sequence of Drosophila melanogaster. J. Craig Venter i in. Science 287: 2185-2195 (2000).A whole-genome assembly of Drosophila. E. Myers i in. Science 287: 2196-2204 (2000).The Drosophila genome sequence: implications for biology and medicine. T. Kornberg, M. Krasnow. Science 287: 2218-2220 (2000).Ideas fly at gene-finding jamboree. E. Pennisi. Science 287: 2182-2184 (2000).
Wysoki stopień kondensacji DNA chromosomów powoduje, że nie nadają się one do badania aktywności genów. U muszki są jednak takie chromosomy, które występują w formie zdespiralizowanej, co umożliwia tego typu badania. Niestety obecne są tylko w pewnych typach komórek i mają nietypową strukturę. Chodzi tu o chromosomy olbrzymie a w szczególności o
q chromosomy szczoteczkowe
q chromosomy politeniczne.
Ryc. 5. Chromosomy politeniczne Drosophila melanogaster, wypreparowane z komórek śliniankowych. W czasie preparowania chromocentr rozdzielił się na dwie części. Źródło: J. D. Watson i in., 1987.
Pierwszy typ chromosomów u Drosophila reprezentowany jest przez chromosom Y w czasie spermatogenezy. Chromosomy te swoim wyglądem przypominają szczotkę do mycia butelek, stąd ich nazwa - chromosomy szczoteczkowe. Chromosomy te są ok. 30 razy mniej skondensowane aniżeli chromosomy występujące w późnej mejozie. Na przykład u traszki Notophthab musyiridescens długość pojedynczego chromosomu szczoteczkowego waha się od 400 do 800 mm, dla porównania długość chromosomu w późnej mejozie wynosi 15—20 mm.
Chromosomy politeniczne - drugi typ chromosomów olbrzymich zostały opisane u Drosophila melanogaster w 1933 r. przez T. S. Paintera, który wykazał ich wielką przydatność w badaniach cytogenetycznych. Występują one w gruczołach śliniankowych larw owadów dwuskrzydłych (Diptera), np. Drosophia melonogaster i Chironomus. Podobne struktury politeniczne są obecne w innych tkankach sekrecyjnych tych owadów, np. cewkach Malpighiego, komórkach nabłonka jelita grubego, komórkach odżywczych jajnika oraz ciałach tłuszczowych.
W pierwszych fazach rozwoju Drosophila garnitur chromosomowy w jądrach komórek śliniankowych nie różni się od komórek somatycznych, dopiero później następuje dekondensacja chromatyd połączona z ich zwielokrotnieniem. Chromosomy śliniankowe są ponad 100 razy większe od normalnych.
Chromosomy politeniczne są to szczególnego rodzaju chromosomy interfazowe, które powstają w wyniku endomitozy, czyli replikacji DNA bez podziału jądra komórkowego. Replikujące chromatydy nie rozchodzą się i są ułożone równolegle, średnio występuje 10 cykli replikacyjnych, więc chromosom posiada 210 chromatyd (1024 kopie). Utrzymanie chromatyd i chromosomów homologicznych w bliskim sąsiedztwie jest możliwe dzięki somatycznej koniugacji. Chromocentr to miejsce połączenia wszystkich chromosomów (charakterystyczne tylko dla Drosophila, nie występuje u Chironomus), utworzone przez obszary heterochromatyny położone w okolicy centromerów. Obszary te nie ulegają replikacji. Koniugacja somatyczna i łączenie się centromerów w chromocentrze sprawiają że w komórkach śliniankowych nie widzimy poszczególnych chromosomów, lecz zespół chromosomów politenicznych.
Stosując odpowiednie techniki barwienia chromoso...
cyrylek12