Дрозофила как объект генетических исследований

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сыктывкарский государственный университет»

Кафедра биологии Реферат по дисциплине «Генетика»

на тему «Дрозофила как объект генетических исследований»

Выполнил (а):

студент 222 группы Института естественных наук Айтиев Б.А.

Сыктывкар 2014

Введение

Всякое генетическое открытие это результат долгих и утомительных исследований, результат множества экспериментов, подтверждающих или опровергающих различные теории и гипотезы. И так же, как и Земля стоит на трех слонах, по представлениям древнего мира конечно, так и любое открытие среди законов генетики стоит на трех ключевых моментах исследований: эмпирические, экспериментальные и теоретические данные.

Данные, которые получают в таких типах исследований не дают повода делать какие-либо определенные выводы, но собранные воедино предеставляют большую ценность для ученых. С помощью этих данных можно легко составить и подтвердить или же опровергнуть любую теорию или гипотезу.

Но вполне очевидно, что ничего не получится, если просто на просто не будет подходящего объекта для исследований. Определенный модельный объект, довольно простой, с очевидными и приметными внешними данными, легкий и неприхотливый в содержании. И самое главное имеющий достаточно быстрый цикл размножения — ведь для ученого время это важный и невосполнимый ресурс, который необходимо расходовать экономно и с умом.

Наверняка каждому, кто слушал учителя по биологии в школе, знакомо название такого насекомого, известного как плодовая мушка дрозофила. Еще со школьных лет оно у нас на слуху. На университетском уровне же данный вид рассматривается более подробно, так как чернобрюхая дрозофила является наиболее популярным и известным объектом в генетических исследованиях.

Вопроса, почему же дрозофила заслужила такое признание и известность, и касается данная работа. Раскрыть причины, а также упомянуть наиболее известных ученых, приложивших внесших свою лепту в список открытий полученных с помощью этого маленького насекомого.

1. Кто такая дрозофила, или плодовая мушка? Половой деморфизм особей Дрозофила (Drosophila melanogaster) также известная, как плодовая, банановая или уксусная муха это представитель отряда Двукрылых (Diptera) насекомых, относится к семейству Drosophilidae.

В природе обитает «дикий тип — wild type» дрозофилы (нормальный, Normal). У таких особей красные глаза и жёлто-коричневая либо серая окраска с поперечными черными кольцами поперёк брюшка.

У особей данного вида ярко выражен половой диморфизм: cамки дрозофил как правило крупнее самцов. Еще одним половым отличием является форма брюшка у дрозофил — у самок она заостренная, у самцов же более округлая и темная (большая пигментная точка). У самцов имеются так называемые половые гребешки, которые располагаются в виде ряда крепких хитиновых щетинок на первом членике передних ног. Последний признак можно различить под бинокулярной лупой.

2. Жизненный цикл и особенности строения

Drosophila melanogaster является насекомым с полным превращением. Самка откладывает яйца в гниющие фрукты, либо другой растительный материал. В длину такие яйца не превышают 0,5 мм, а общее их количество за всю жизнь самки может составлять до 400 штук. На яйцах имеются небольшие отростки, благодаря которым яйца удерживаются в субстрате.

Образование зиготы и эмбриональное развитие происходит внутри яйцевой оболочки. Из яйца появляется личинка, которая питается и. Личиночный период состоит из трех стадий, два из которых заканчиваются линьками, а на третьем личинка окукливается. В длину она на этот момент составляет около 4,5 мм.

На данной стадии уже можно различить пол будущего насекомого, ибо видны женские и мужские половые органы.

Перед окукливанием личинка выползает на стенку пробирки. Будущие органы закладываются в виде имагинальных дисков. Личиночные органы разрушаются и начинается формирование органов «имаго». Из куколки развивается взрослая особь дрозофилы.

Длительность жизненного цикла зависит от температуры, при которой происходит развитие. При оптимальной температуре (25°С) продолжительность

стадий развития такова

— эмбриональное развитие (около 24 — 25 часов);

— личиночный период (около 4 — 5 суток);

— стадия куколки (3 — 4 суток).

Рис. 1

Таким образом, при температуре 25 °C весь жизненный цикл дрозофилы составляет около 10 дней. Температура 20 °C увеличивает период развития дрозофилы до 12−15 дней. При 15 °C развитие занимает около 18 дней.

Первое спаривание у самки происходит не ранее чем через 12 часов после выхода из куколки. Самки сохраняют сперму от самцов, с которыми они спариваются, для позднего использования. Именно по этой причине генетики должны отобрать муху женского пола до её первого спаривания (то есть девственную самку) и убедиться, что она спаривается только с конкретным самцом, выбранным для эксперимента. Оплодотворённая самка может быть «возвращена в девственницы» путём длительной инкубации при температуре 10 °C, что убивает сперму, согласно «красной книге» Майкла Эшбёрнера.

У дрозофил сегментация эмбриона и имаго идентичны. И взрослое насекомое и личинка имеют такие ярко выраженные сегменты: головной, три грудных и восемь брюшных, при этом каждый сегмент имаго содержит набор уникальных морфологических структур, таких как крылья, и конечности.

3. Особенности вида Drosophila melanogaster как объекта генетических исследований

§ Небольшой период развития (10−14 дней). В течение одного месяца можно получить 3 поколения мух.

§ Высокая плодовитость (от одной пары особей можно получить от 100 до 175 потомков).

§ Малое число хромосом (2n = 8). Наличие в клетках слюнных желёз

§ личинок дрозофилы политенных хромосом.

§ Удобство разведения в лабораторных условиях.

§ Большое число легко различимых изученных признаков.

§ Высокий процент изученных генов, определяющих легко различимые признаки.

К числу органов (и признаков) дрозофилы, наиболее часто подверженных мутационным изменениям, относятся признаки глаз, крыльев, щетинок. Глаза дрозофилы классифицируют как сложные, фасеточные. Число фасеток (омматидий) глаз у самок дрозофилы дикого типа составляет около 780, у самцов около 740. Мутации затрагивают различные признаки глаз: наиболее часто они изменяют их пигментацию, усиливая цвета до бордо или ослабляя до белого со всевозможными переходами (эозиновый, абрикосовый, розовый, вишнёвый, коралловый, карминовый и другие).

Ряд мутаций приводят к полной или частичной редукции фасеток глаз: Bar (полосковидный), Lobe (лопастный), eyeless (безглазый) и другие.

Редукция чувствительных элементов глаз у дрозофилы сопровождается преобразованием соответствующих отделов мозга, уменьшением размеров головы. Многочисленные мутации связаны с изменениями признаков крыла, затрагивающими его конфигурацию, жилкование, размеры и другие признаки.

4. История великих открытий в генетике. Дрозофила в генетических исследованиях и в современной науке

Исследования Томаса Ханта Моргана

В начале 20 века ученые вновь вернулись к работе Менделя о наследуемых признаках. А в 1909 году датский ботаник Вильгельм Йохансон придумал термин «гены», чтобы описать факторы Менделя.

Примерно начиная с этого времени и начинается век великих генетических открытий.

Одним из исследователей новой науки, именуемой генетика, стал Томас Хант Морган, эмбриолог из Колумбийского университета. Этот человек не только не доверял концепции наследственности Менделя, но и даже скептически относился к теории эволюции Дарвина. Но до тех пор, пока не начал работать с дрозофилой. Он был первым, кто выбрал для своих исследований плодовую мушку, благодаря ее двум важным свойствам, таким как быстрая смена поколений и большая плодовитость.

Проведя ряд экспериментов Морган обнаружил некую тенденцию — некоторые мушки дрозофил появлялись с белым окрасом глаз, при этом практически подавляющее большинство их было самцами. Изучив данное явление, он дал ему определение наследования сцепленного с полом.

Тенденция к сцеплению подсказало ученому, что гены, по-видимому, располагаются на одной и той же хромосомев тесной близости друг к другу. Было обнаружено, что таких сцепленных групп у дроздофилы — четыре, и эта величина в точности совпала числом пар хромосом. Поэтому в 1910 г. была опубликована первая генетическая работа Т. Моргана «Ограниченная полом наследственность у дрозофилы», посвященная описанию мутации белоглазости.

В дальнейшем, продолжая свои исследования, Морган задумался о причинах того, что некоторые гены наследовались реже, чем того следовало ожидать. Было выдвинуто предположение о том, что хромосомы, собранные в пары, могут расщепляться и обмениваться своими участками, генами. Данный процесс был назван кроссинговер.

В последствие на основе этого было выдвинуто и подтверждено предположение о линейном расположении генов в хромосомном материале. А расстояние между генами было условлено измерять с помощью условных единиц, в последствие именуемых морганидами (от фамилии ученого).

Работа Моргана и его сотрудников позволила увязать в единое целое данные цитологии и генетики и завершилась созданием хромосомной теории наследственности. Капитальные труды Т. Моргана «Структурные основы наследственности», «Теория гена», «Экспериментальные основы эволюции» и другие знаменуют собой поступательное развитие генетической науки.

За это открытие Морган был награжден Нобелевской премией по медицине в 1933 году, он стал первым ученым-генетиком, получившим эту премию.

А дрозофил, благодаря своему взносу в работу Моргана стала одной из основополагающих экспериментальных моделей в науке.

Открытие мутагенного воздействия рентгеновского излучения

В 1926 году ученый Герман Джозеф Мёллер провел серию экспериментов, в ходе которых он проверил воздействие рентгеновского излучения на живые организмы. В качестве модельного объекта опять же выступала мушка дрозофила.

В результате Мёллер выявил четкую взаимосвязь между дозой радиационного облучения и количеством летальных мутаций в популяции дрозофил.

С этими данными он выступил на Пятом международном Генетическом Конгрессе в Берлине и вызвал тем самым сенсацию в прессе.

В 1928 году результаты его исследований были подтверждены на осах и кукурузе.

В 1946 году Мёллер получил Нобелевскую премию «За открытие появления мутаций под влиянием рентгеновского облучения».

Его научным руководителем являлся Томас Морган.

Четвериков Сергей Сергеевич

Четвериков С.С. был российским ученым, который впервые подвел генетические основы под эволюционные учения Дарвина.

Он доказал, что в каждой популяции существует огромное количество фенотипических изменений, но из-за влияния фактора рецессивности они не проявляются.

Вид, насыщенный мутациями составляют неисчерпаемый материал для эволюции.

В 1921;1922 гг. Четвериков начал изучать распространение мутаций в природных популяциях дрозофил. Итогом работы С. С. Четверикова и его последователей советских ученых Н.В. Тимофеева-Ресовского, Н. К. Беляева, Б. Л. Астаурова, Н. П. Дубинина, Д. Д. Ромашова, английского исследователя Р. А. Фишера, американских ученых С. Райта и Ф. Г. Добржанского и многих других — явилось возникновение новой дисциплины — популяционной генетики.

Работа Ф.Г. Добржанского

В свое время над дрозофилой работал так же и русский ученый Феодосий Грегориевич Доброжанский, который так же некоторое время стажировался

В лаботатории Т. Моргана.

Как и предыдущие ученые — он тоже выбрал плодовую мушку как объект для своих генетических исследований. Ему удалось установить генетические основы полиморфизма популяций этого организма — подразделения на репродуктивно изолированные (не способные скрещиваться друг с другом) группы. Добржанский показал, что преимущества разных рас дрозофилы проявляются при разных условиях, определяемых, например, высотой над уровнем моря, температурой окружающей среды, характером доступной пищи, временем года.

Совместно с Дж.М. Смитом определял скорость естественного отбора в природных и экспериментальных популяциях. Исследования Добржанского создали предпосылки для объяснения механизма формирования новых рас и видов и позволили построить синтетическую теорию эволюции.

К некоторым ученым, работавшим в свое время над проблемами генетики, были Н.В. Тимофеев-Ресовский, Н. К. Беляева, Б. Л. Астаурова, Н. П. Дубинина, Д. Д. Ромашова, английский исследователь Р. А. Фишер, американский ученый С. Райт.

Более современные исследования в генетике.

О генах, ответственных за восприятие вкуса и запаха у дрозофилл.

Ричард Эксел (Richard Axel) и его коллеги изучили функции двух десятков генов, ответственных за восприятие вкуса у дрозофилы. Об этом — статья в Cell от 9 марта.

Группа Эксела продолжила исследования молекулярных биологов из Йельского университета Питера Клайна и Джона Карлсона, идентифицировавших комплекс генов под общим названием GR. Эти гены отвечают за формирование вкусовых рецепторов дрозофил: кодируемые ими белки присутствуют преимущественно в хоботках, ножках и усиках насекомых.

Эксел и его коллеги обнаружили большое сходство между GR и обонятельными генами дрозофилы. Это позволяет предположить, что у отдаленных предков мух за распознавание вкуса и запаха отвечали одни и те же гены, и лишь в процессе эволюции постепенно произошло их разделение на «вкусовые» и «обонятельные» .

Исследователи считают, что дальнейшее изучение белков, отвечающих за распознавание вкуса и запаха, может привести к революции в сельском хозяйстве. Разобравшись в структуре молекул; можно будет создавать экологически чистые препараты, способные сделать сельскохозяйственные культуры невкусными или дурно пахнущими для насекомых-вредителей.

5. О генетическом моделировании болезней и космической одиссее дрозофил

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

Дрозофилы используются в генетическом моделировании некоторых человеческих заболеваний, включая болезни Паркинсона, Хантингтона и Альцгеймера. Мушка также часто используется для изучения механизмов, лежащих в основе иммунитета, диабета, рака и наркотической зависимости.

Так же в современных исследованиях дрозофил используют в космической программе исследований проводимых в космической станции.

На дрозофилах исследуют влияние невесомости и условий космоса на иммунитет.

К примеру дрозофил, живших в течение нескольких дней на борту шаттла «Дискавери», заражали в последствие грибком. Выяснилось, что данные особи стали особо чувствительны, что позволило предположить, что гравитация напрямую влияет на работу Toll-рецепторов, которые отвечают за иммунную реакцию в случае взаимодействия с грибками.

Также, уже в другом эксперименте, космонавты, работавшие на космической станции, выяснили, что дрозофилы в космических условиях размножаются лучше, чем на Земле.

Смысл данного эксперимента заключается в том, что ученые планируют изучить изменения, возникшие в их белках, особенно в белках клеточного скелета, оценить реакцию на стресс, проанализировать активность генов в космосе в сравнении с активностью генов контрольной группы мух на Земле.

А также изучить влияние космической радиации на живые объекты в космосе.

Это позволит в будущем создать более лучшие варианты защиты космонавтов, позволят ученым выработать механизмы защиты от неблагоприятных факторов для космонавтов во время будущих межпланетных перелетов.

дрозофила мушка генетика болезнь

Заключение

Ввиду простоты строения, малого набора хромосом дрозофила является поистине идеальным объектом для разнообразнейших исследований, а ее вклад в современную науку поистине неоценим. Благодаря ее участию в различных экспериментах, проведенных учеными прошлого века, было совершено множество величайших открытий, которые дали стартовую позицию практически для всей современной науки (естественно тем или иным пунктом связанным с генетикой и пр.).

Благодаря открытиям генетиков прошлого века, были установлены причины наследования разнообразных генетических и хромосомных заболеваний.

Раскрыты общие схемы наследования признаков, установленные еще Грегором Менделем.

А также были подтверждены и выведены многие правила, которые изложены в генетических законах.

В свое время дрозофила поработала и на отечественную науку.

В современной генетике возрос интерес к исследованиям на дрозофиле в связи с использованием методов молекулярной биологии, биохимии, генной инженерии. Культивирование эмбриональных клеток и имагинальных дисков способствует решению проблем генетики соматических клеток и генетики развития. Дрозофила — один из важнейших объектов исследования мобильных генетических элементов и супермобильных генов.

Дрозофила — пример идеального модельного объекта. Ее неоценимый вклад науку неоценим, а разнообразные теории и сейчас продолжают выдвигаться и проверятся на этом маленьком насекомом.

Список источников:

1. М. Ф. Козак «Дрозофила — модельный объект генетики»; Издательский дом «Астраханский университет» 2007

2. Великие открытия в генетике.

3. Томас Х. Морган

4. Герман Д. Мёллер

5. Четвериков С.С.

6. Добржанский Ф.Г.

7. Гекконы, мухи-дрозофилы и микроорганизмы стартуют в космос на Фотоне-М.

8. Жизнь в космосе сделала мушек уязвимыми для заражения грибком.

9. Размножение дрозофил в космосе.