Презентация «Вклад гороха и мухи дрозофилы в становление генетики как науки»

Работа 5. Изучение нормальных особей мухи дрозофилы

Рассмотрите внешнее строение мухи дрозофилы на микропрепарате и рисунке и определите пол особей. Мухи дрозофилы имеют мелкие размеры, отелы тела хорошо разграничены. Самки несколько крупнее самцов (рис. 1). Брюшко у самки более округлое с заострённым концом; у самца оно боле цилиндрическое с притуплённым концом и сильно пигментированными (чёрными) несколькими последними тергитами. Тергитами у насекомых называют скелетные хитиновые пластинки брюшка со спинной стороны. У самки имеется 8 хорошо развитых тергитов, у самца – 6 .

У нормальных мух тело серого цвета, глаза красного цвета. Глаза расположены по бокам головы. Кроме того, на ней расположены короткие стяжки. Грудной отдел серого цветы несет три пары членистых конечностей и пару прозрачных плоских крыльев. Обратите внимание, что длина крыльев превышает длину тела.

Рис.1. Дрозофила: 1 — самка: 2 — самец.

Работа 6. Изучение фенотипического проявления генных мутаций мухи дрозофилы. Изучение мутантных вариантов мухи дрозофилы.

Таблица. Мутации мухи дрозофилы

Название мутации	Фенотипическое проявление	Тип наследования	Локус, тип мутации
Bar	Узкие (полосковидные) глаза	Доминантный	Хромосома 1, локус 1,5; хромосомная перестройка (дупликация)
White	Белые глаза	Рецессивный	Хромосома 1, локус 1,5; генная мутация
Black	Чёрное тело	-//-	Хромосома 2, локус 48,5; генная мутация
Yellow	Жёлтое тело	-//-	Хромосома 1, локус 0,0; генная мутация
Curly	Загнутые кверху крылья	Доминантный	Хромосома 2, локус (?), генная мутация
Vestigial	Зачаточные крылья	Рецессивный	Хромосома 2, локус 67, генная мутация
Cut	Вырезка крыла	-//-	Хромосома 1, локус 20, генная мутация

Рис. Некоторые мутации Drosophila melanogaster,

выражающиеся главным образом в нарушении нормального строения крыльев. Все самки. По Т. Моргану, 1919, и Т. Моргану и др., 1925

1 —

notch (наплывы на продольных жилках крыла),

2 —

beaded (пузыревидные крылья),

3 —

rudimentary (рудиментарные крылья),

4 —

curled (загнутые кверху крылья),

5 —

vestigial (зачаточные крылья).

Рассмотреть и зарисовать при малом увеличении микроскопа или при помощи лупы:

А) дикий тип (темно-красные глаза обычной формы, нормальные крылья (длина крыльев превышает длину тела), серый цвет тела).

Б) мутацию White eyes – белый цвет глаз

В) мутацию Vestigial wings – зачаточные крылья

Г) мутацию Ebony body – черная окраска тела

Д) мутацию Apterous wings – бескрылая форма.

Работа 7. Решение ситуационных задач.

Задача 1. Один из монозиготных близнецов поднялся высоко в горы, другой – остался на равнине. У первого количество эритроцитов в крови увеличилось, тогда как у второго не изменилось. Объясните причину данного явления. Назовите форму изменчивости.

Задача 2. Классическая форма наследственной болезни фенилкетонурии развивается у людей, гомозиготных по мутантному (рецессивному) гену фермента финилалалнингидроксилазы, необходимого для нормального обмена незаменимой аминокислоты фенилаланина. Нарушение обмена фениаланина приводит, как правило, к снижению интеллекта. Но, если с первых недель жизни в диете гомозиготного ребенка уменьшить количество фенилаланина, интеллект его будет практически нормальным. Как называется такая форма изменчивости?

Задача 3. Врожденная глухота может возникнуть в результате наличия мутантного гена в генотипе плода, но она может развиться и у организма с нормальным генотипом: а) чем можно объяснить наличие глухоты при нормальном генотипе; б) нужно ли выяснять природу этой аномалии у пациента, если лечение в обоих случаях одинаково?

Задача 4. В медико-генетическую консультацию обратились две супружеские пары, у которых родились дети с незаращением твердого нёба («волчья пасть»). Изучив родословную каждой семьи и выяснив их бытовые и производственные условия, врачи пришли к заключению, что у супругов А. все последующие дети, а также внуки не должны иметь этого дефекта, но у супругов Б. существует большая вероятность появления его у детей и внуков. Укажите возможные механизмы появления данного дефекта у ребенка в семьях А. и Б.

Задача 5. Ликвидаторы аварии на Чернобыльсокй АЭС чаще, чем в среднем в популяции, заболевают лейкозом и раком щитовидной железы. Объясните, почему? Как называется такая форма изменчивости?

Задача 6.Фрагмент гена инсулина имеет следующую нуклеотидную последовательность: ACACGAAGACAACAATAT. Как измениться первичная структура белка, если во всех кодонах третий нуклеотид замениться на: а) гуаниловый; б) цитидиловый? Как называются генные мутации в обоих случаях?

Задача 7. У мужчины, длительное время курившего трубку, на нижней губе развилась опухоль. При гистологическом исследовании ткани опухоли обнаружено множество клеток на разных стадиях митоза, встречаются клетки с различными хромосомными аберрациями и полиплоидные. К какому типу мутаций (спонтанным, индуцированным, соматическим, генеративным) относятся обнаруженные нарушения в генетическом материале клеток опухоли? Передаются ли эти мутации потомкам?

Задача 8.У здоровых родителей родился ребёнок с наследственным заболеванием фенилкетонурией (аутосомно-рецессивный тип наследования).Объясните причину рождения больного ребёнка.Какой вид изменчивости проявился в данном случае? Назовите все возможные механизмы возникновения такой изменчивости.

Задача 9. Аутосомный рецессивный ген d обуславливает предрасположение к сахарному диабету. Пенетрантность этого признака равно 20 %. В семье муж болен диабетом, а у жены болел диабетом отец.Каков тип наследования сахарного диабета? Что такое пенетрантность гена? Проявлением какой формы изменчивости она является? Какова вероятность предрасположения к заболеванию у ребенка в этой семье?

Задача 10. Укажите виды изменчивости, проявлением которых служат перечисленные ниже явления:

1) У родителей с нормальным кариотипом родилась дочь, в клетках которой обнаружили три Х-хромосомы.

2) В результате кроссинговера в одной из гомологичных хромосом произошла потеря небольшого участка, а в другой, наоборот, удвоение этого участка хромосомы.

3) В течение года у человека наблюдается сезонное изменение интенсивности функционирования желез внутренней секреции.

4) В процессе интенсивного занятия спортом у спортсмена произошло увеличение массы и силы мускулатуры.

5) У одного из монозиготных близнецов выявлена опухоль глаза — ретинобластома, которую относят к наследственным заболеваниям.

ЗАНЯТИЕ 1.3.4.

НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА — РЕФЕРАТЫ — Дрозофила-объект научных исследований

Я — тоже муха:

Мой краток век.

А чем ты, муха,

Не человек?

ВИЛЬЯМ БЛЕЙК.

«Муха»

Если почистить фрукты и то, что считается несъедобным, день-другой не выносить на помойку, можно заметить, как вокруг этого при родного растительного материала разовьется своя особая жизнь. Вокруг отвергнутых человеком остатков пищи начнут роиться маленькие мушки размером по крайней мере на порядок, как говорят математики (т.е. примерно в 10 раз), меньше, чем обычные комнатные мухи. Они настолько малы, что, если заведется всего несколько штук, их можно и не заметить. Размеры мушек составляют только 2-3,5 мм. Однако это крохотное создание вошло в историю науки, а следовательно, и в историю человечества как бесценный объект генетических исследований.

В русский язык уже прочно вошло их на звание — дрозофила,
в точности повторяющее латинское наименование рода мух семейства плодовых мушек Drosophilia. На земном шаре существует свыше 1000 видов этих прелестных существ, и наибольшее распространение они получили в субтропиках и тропиках — на одних только Гавайских островах обитает более 300 видов дрозофилы. На территории же нашей страны их на порядок меньше. Наиболее используемым в науке видом является Drosophilia melanogaster.

Сами плодовые мушки питаются соком растений, гниющими растительными остатками, а личинки — микроорганизмами. Их жизненный цикл очень короток, и развитие от яйца до мухи занимает в среднем 10 суток. Можно получить массу удовольствий, часами разглядывая эти крошечные создания под микроскопом с небольшим увеличением, лучше под бинокулярным микроскопом, позволяющим получать объемное изображение. В нем легко разглядеть детали строения переливающихся крылышек, удивительно красиво посаженные глазки, прямые или вилочкообразные щетинки и многое, многое другое. Малые размеры, плодовитость и ряд других преимуществ перед большинством живых организмов на долгое время сделали дрозофилу главным объектом генетики, и не один нобелевский лауреат кроме своего могучего интеллекта обязан и ей своими высшими научными достижениями.

Одним из нобелевских лауреатов, которому дрозофилы оказали неоценимую услугу, был замечательный американский зоолог и генетик Томас Хант Морган. Именно его имя использовалось для шельмования отечественных биологов в период «лысенковщины», когда были введены ругательные тогда слова вейсманисты-морганисты, менделисты-морганисты или просто морганисты.

Морган родился в 1866 г. в семье дипломата. Мать его была внучкой композитора Фрэнсиса Скопа Ли сочинившего американский национальный гимн. Не испытывая влияния биологов, Томас с детства интересовался биологическими объектами — он приносил в дом окаменелости, собрал коллекцию различных птиц, а первые свои научные исследования он выполнил, используя морских пауков.

В 1902 г. американский биолог Уильям С. Саттон высказал предположение, что единицы наследственности (гены) размещаются в хромосомах. Морган решил его опровергнуть, считая, что хромосомы не являются носителями наследственности, а возникают на ранних стадиях развития. Теперь мы уже знаем, что в конце концов он изменил свое мнение на противоположное, доказав прямую роль хромосом в процессах наследования макроскопических признаков живых организмов. Для выполнения этой работы в 1908 г. лучшего объекта, чем дрозофила, Морган найти не смог. Ему понадобилось вырастить и изучить несколько миллионов мушек, чтобы прийти к твердому убеждению, что хромосомы напрямую связаны с наследственностью. И это только один ученый. Дрозофилу использовали наверняка не менее нескольких сотен генетиков, и, следовательно, число мушек, понадобившихся науке, сравнимо с численностью людей на земном шаре.

Результаты некоторых экспериментов Моргана с дрозофилой, казалось, противоречили менделевскому закону независимого наследования, согласно которому каждый организм обладает генами, контролирующими тот или иной признак, и наследование одного признака, например пола, не зависит от наследования другого — например цвета глаз. Оказалось, что некоторые признаки все же связаны между собой, т.е. их сочетание встречается у потомков чем следует из законов Менделя.Так, например, белоглазость — мутантный признак — почти всегда встречается только у самцов. Это явление Морган назвал сцеплением 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

Свои эксперименты Морган проводил в помещении, которое он называл мушиной комнатой. В 1914 г. в эту комнату явился студент-выпускник Герман Джозеф Меллер, которому впоследствии на той же дрозофиле суждено было открыть мутации под действием рентгеновского излучения. А пока Морган, Меллер и другие сотрудники старались ответить на вопрос, почему гены, расположенные на одной и той же хромосоме, наследовались реже, чем этого можно ожидать. Они предположили, что хромосомы, собранные в пары, могут расщепляться и обмениваться своими участками, генами, и назвали этот процесс кроссинговером. Предположение основывалось на обнаруженном бельгийским ученым Ф.А.Янсеном в 1909 г. (с помощью светового микроскопа) тесном переплетении хромосом.

Морган рассуждал так: чем больше расстояние между двумя генами в одной хромосоме, тем больше вероятность разрыва. Если это верно, то гены не будут наследоваться вместе, и наоборот — гены, расположенные в хромосоме близко друг от друга, имеют меньше шансов быть разделенными, т.е. верна гипотеза американского генетика Альфреда Генри Стертеванта о том, что сцепление двух генов в хромосоме определяется величиной линейного расстояния между ними. Иными словами, была высказана замечательная мысль, что, гены расположены вдоль хромосомы линейно, т.е. представляют собой линейную матрицу. Используя данные о частотах кроссинговера, Морган первым начал составлять хромосомные (или генетические) карты, где в линейной последовательности указывались гены, ответственные за тот или иной макроскопический признак (цвет глаз или брюшка, формой щетинок или крыльев и т.д.). Так, если частота обмена между двумя генами равна 5, то это означает, что они расположены в одной и той же хромосоме на расстоянии 5 условных линейных единиц. В дальнейшем имя Моргана, как ранее имена ряда других выдающихся ученых, например Дальтона, Ньютона, Джоуля, Ангстрема и других, стали использовать для наименования этих единиц, и в настоящее время они называются морганидами. В 1933 г. Т. X. Моргану была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности.

Морган изучал в основном самопроизвольно возникающие мутации. Но они могут быть вызваны и искусственно, например путем физических или химических воздействий. Первым физическим мутагенным фактором было рентгеновское излучение. Его использовал ученик Моргана Герман Меллер. Химический мутагенез еще в 30-е гг. открыл наш соотечественник Иосиф Абрамович Рапопорт, герой Великой Отечественной войны (он дважды был представлен к званию Героя Советского Союза) и настоящий герой науки во времена борьбы с «лысенковщиной». Однако опубликовать свои результаты о мутагенном действии формальдегида и других карбонильных соединений он смог только в 1946 г. одновременно с шотландкой Шарлоттой Ауэрбах, сообщившей в научной печати об аналогичных свойствах иприта. И опять объектом исследования было неприметная мушка.

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.

Различия в организации эу- и гетерохроматина дрозофилы.

Наиболее существенные свойства эу- и гетерохромати на, характеризующие различия в их организации, при ведены в табл. 1.

Даже первого взгляда на эту таблицу достаточно чтобы увидеть, насколько эу- и гетерохроматин различны по строению и функционированию. Некоторые из свойств очень интересны, и мы рассмотрим их боле детально.

Эффект положения мозаичного типа

Одним из удивительных свойств гетерохроматина является его способность передавать компактизованное состояние на эухроматиновые фрагменты хромосом, перенесенные в его соседство с помощью хромосомных перестроек (рис. 2). Гены в перенесенном фрагменте инактивируются, хотя и не во всех клетках одного и того же органа. Например, если ген w+

у дрозофилы, обеспечивающий нормальный красный цвет глаз у мухи, переносится с помощью инверсии
In(l)wm4
в новое положение — в окружение прицентромерного гетерохроматина, в части клеток он инактивируется. В результате на фоне нормально окрашенных участков глаза будут появляться пятна из неокрашенных белых клеток, в которых ген w+ инактивирован — образуется как бы мозаика из окрашенных и неокрашенных клеток (см. рис. 2). Это явление; называемое эффектом положения мозаичного типа, в настоящее время изучают весьма интенсивно, поскольку исследо­ватели полагают, что оно является удобной моделью для понимания генетического контроля механизмов компактизации — декомпактизации хроматина.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая эффект положения мозаичного типа — генетическую инактивацию эухроматинового фрагмента хромосомы, содержащего ген
w+,перенесенного в соседство гетерохроматина
Во всех этих работах было сделано сенсационное открытие: наследственность можно преднамеренно изменять в лабораторных условиях. Последнюю точку в исследовании хромосом и генов как линейных матриц, по-видимому, поставил еще один наш соотечественник, лауреат Кимберовской премии (премии по генетике, дополняющей Нобелевские по физиологии и медицине) Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, который совместно с немецкими учеными Клаусом Циммерманом и Максом Дельбрюком (еще одним нобелевским лауреатом) в 30-х гг. определил размер гена. И уже не в условных единицах, а в обычных единицах длины (например, в нанометрах). Полученные величины великолепно совпали с более поздними данными о размерах ДНК.

Гены Y-хромосомы.

Еще на заре рождения генетики, в 1916 году, американский ученый К. Бриджес установил, что экспериментально полученные самцы дрозофилы без Y-хромосомы (то есть ХО в отличие от нормальных самцов XY) имеют нормальную жизнеспособность и строение всех органов, но они полностью стерильны. В последующих экспериментах было показано, что Y-хромосома дрозофилы содержит только девять генов, из которых шесть влияют на способность самцов оставлять потомство (фертильность). Оставшиеся три гена — это bobbed
(bb),
серия или кластер генов, кодирующих рибосомную РНК и активность которых приводит к образованию ядрышка (нужно упомянуть, что второй ядрышкообразующий ген
bb
у дрозофилы находится также в гетерохроматиновом районе, но Х-хромосомы). Ген
bb,
состоящий из повторенных фрагментов, занимает около 5% всей ДН К Y-хромосомы.

В пределах гена bb

находятся участки, контролирующие процесс коньюгации хромосом в мейозе. Дело в том, что в мейозе спариваются гомологичные хромосомы за счет конъюгации гомологичных последовательностей нуклеотидов ДНК. Поскольку половые Х- и Y-хромосомы морфологически и функционально совершенно различны, вопрос о механизмах спаривания этих элементов в мейотической профазе I достаточно актуален. Начиная с 1930-х годов накапливались данные о наличии участков спаривания в гетерохроматине Х-хромосомы, в районе локализации гена
bobbed.
Их назвали сайтами
collohores(col
).

В 1990 году удалось показать, что ответственными за опознание Х- и Y-хромосом и их последующую конъюгацию и расхождение в мейозе являются короткие последовательности нуклеотидов длиной в 240 п.н., расположенные в промежутках между генами рибосомной РНК, как в Х-, так и Y-хромосоме. Участок локализации локуса со/ занимает в Y-хромосоме около 7% ее длины. Удаление bb
с
помощью хромосомных нехваток (делений) полностью нарушает правильную конъюгацию половых хромосом.

Еще один ген — crystal
(cry
) влияет на поведение хромосом в мейозе и правильное формирование гамет. Разрывы участка хромосом, занимаемого этим геном, не приводят к развитию каких-либо фенотипических изменений у самцов дрозофил. Однако при полном или частичном удалении этого участка с помощью делений в первичных сперматоцитах, в клетках, из которых образуются сперматозоиды, появляются белковые кристаллы, а во время мейоза нарушается расщепление хромосом. Интересно отметить, что есть еще один ген, расположенный в эухроматине Х-хромосомы, —
Stellate(Ste),
который взаимодействует с геном
crystal.
При этом, если в Х-хромосоме присутствует нормальный аллель гена
Stellate(Ste+),
кристаллы имеют игловидную форму, если мутантный
Ste——
они приобретают вид звезды. Ген
Ste+
был клонирован, и в результате анализа ДНК было показано, что он содержит тандемно повторенную (до 200 раз) последовательность длиной 1250 п.н. Нужная степень повторенности этого фрагмента соответствует аллелю
Ste+
(игловидные кристаллы у
Ste+/0
самцов, то есть тех, которые не имеют Y-хромосомы). Высокая степень повторенности приводит к образованию звездовидных кристаллов у
Ste-
/О. Транскрипты гена
Ste—
находят в семенниках. Ген
Ste+
кодирует бета-субъединицу фермента казеин-киназы-2. Этот белок, по-видимому, вовлечен в процессы конденсации хромосом и их последующего расхождения по гаметам.

Присутствие нормального аллеля гена crystal

ингибирует накопление РНК гена
Ste+.
По существующим представлениям
сгу+
контролирует активность гена
Ste+
: удаление Y-хромосомы приводит к сверхпродукции
Ste+
-PHK, в результате чего избыток белка этого гена кристаллизуется в сперматоцитах и нарушает их функциональные возможности, что и приводит к стерильности.

У D.
melanogaster
найдено шесть факторов фертильности самцов
(kl-5,kl-3,kl-2,kl-1,ks—Iиks-2
нарис. З) Из них три очень больших:
kl-5, kl-3
и
ks-1 —
занимают по 10% Y-хромосом каждый, то есть примерно по 4000 т.п.н.

Интересно проявляется активность факторов фертильности у дрозофилы. В 1961 году три немецких ученых (G.F. Меуег, О. Hess, W. Beermann) описали особые нитевидные структуры в ядрах развивающихся сперма тоцитов D.
melanogaster,
которые впоследствии стал называть петлями (рис. 5). Такие структуры нашли фактически у всех 50 изучаемых видов дрозофилы. Показано, что петли — это декомпактизованные, а следовательно, активные участки Y-хромосом. В них синтезируется РНК и накапливаются белки. Каждая петля ядре данного вида дрозофилы имеет характерные размеры, ультраструктуру и внешний вид (см. рис. 5). У других видов морфология набора петель другая.

О том, что петли формируются из материала Y-xpомосомы, свидетельствуют следующие факты.

1. У самцов, не имеющих Y-хромосомы (ХО), нет и петель, а у особей с двумя Y-хромосомами (XYY) они присутствуют в двойном наборе. Если происходит делеция части Y-хромосомы, обнаруживаются не все петли. В линиях с дупликациями частей Y-хромосом число петель соответственно увеличивается.

2. У межвидовых гибридов морфология петель такая же, как и у вида — донора Y-хромосомы.

Более детальный анализ показал, что гены ферментильности самцов локализованы в петлях.

1.Сначала были установлены корреляции между числом генов и петель. Затем, используя хромосомные – перестройки, установили прямое соответствие в их локализации. Так, фактор kl-5

соответствует петле А, поскольку и петля, и фактор располагаются между точками разрывов одних и тех же перестроек (см. рис. 3). Фактор
kl— 3
расположен в петле B
,ks-1 —
в петле С.

2. При удалении делециями хотя бы одной петли самец становится стерильным.

После получения клонов ДНК из Y-хромосом дрозофил появилась возможность анализа молекулярной организации этой хромосомы. Общая длина петель составляет около 1000 мкм, или 1/12 всей длины ДНК в Y-хромосоме. Функции остальных 11/12 пока неизвестны. В состав ДНК Y-хромосомы входят два типа повторенных последовательностей.

Рис. 3. Общий вид ядра спермотоцита у самца
Drosofiliahydei(из [1], с.62).TR,P,THD,CL,THP,NS– названия петель, С – центромера,N— ядрышко
Вывод:

Таким образом, муха Дрозофила играет большую роль, как объект генетических исследований. Исследование ее генов принесло известность многим генетикам. Изучая гены Дрозофилы, ученые открыли много законов, таких как: закон Моргана — сцепленного наследования генов и закон Менделя. К тому же у Дрозофилы нашли много различных генов, отвечающих за наследование некоторых признаков. В последствии многие из этих открытий применялись к людям. И если бы не было этих мух, ученые еще долго бы не открыли законы наследования у людей.

Таблица 1.

Генетики раскрыли секрет долголетия мух-мутантов

Ученые из Московского физико-технического института, Института молекулярной биологии им. Энгельгардта РАН, Института биологии Коми НЦ УрО РАН и компании Insilico Medicine (США) установили, на какие гены воздействует мутация, продлевающая жизнь дрозофил. Сравнение активности генов мух-долгожителей и контрольной группы насекомых проясняет механизмы старения и выявляет мишени для лекарств против возрастных заболеваний. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

«Активность генов управляет всеми функциями клетки и в конечном итоге организма в целом,

— поясняет руководитель исследования
Алексей Москалёв
, заведующий лабораторией продолжительности жизни и генетики старения МФТИ.
— Если установить, какие гены более, а какие менее активны в разных возрастах у долгоживущих линий животных в сравнении с короткоживущими, можно лучше понять биологию долголетия».
Прежде чем ставить многолетние эксперименты на млекопитающих, биогеронтологи проверяют свои гипотезы на животных с небольшой продолжительностью жизни. Мухи-дрозофилы — удобная модель, поскольку их геном хорошо изучен и содержит 40% генов заболеваний человека, а продолжительность жизни составляет всего пару месяцев. Технологии разведения этих насекомых и редактирования их генома хорошо отработаны. Кроме того, у дрозофил присутствуют два пола, в отличие, например, от нематод.

Авторы работы использовали специально выведенную линию, или «породу», дрозофил, у которой выключена одна из двух копий гена под названием E(z). Этот ген способен регулировать активность других генов. Такие мухи-мутанты живут значительно дольше своих собратьев и демонстрируют большую устойчивость к неблагоприятным условиям. Но на какие именно гены воздействует мутация, до сих пор было неясно.

Российские ученые подтвердили благоприятный эффект мутации: она увеличила продолжительность жизни дрозофил в среднем на 22–23%. В ходе эксперимента мух морили голодом, травили паракватом и подвергали 35-градусной жаре. Дрозофилы-мутанты продемонстрировали повышенную устойчивость ко всем этим факторам. Более того, был обнаружен неожиданный эффект мутации на размножение.

«Известно, что увеличение продолжительности жизни дрозофил за счет мутаций часто сопровождается снижением репродуктивной способности. Однако в нашем случае, напротив, наблюдалось повышение плодовитости самок-мутантов во всех возрастных группах»,

— прокомментировал результаты исследования Алексей Москалёв.

Подтвердив положительное влияние мутации, ученые сравнили активность генов у обычных дрозофил и у мутантов. Для этого использовали метод секвенирования продуктов всех активных генов клетки (транскриптома). Обнаружилось 239 генов, количество продуктов которых значимо отличалось у долго- и короткоживущих близкородственных групп. Эти гены влияют в том числе на обмен веществ.

«Мы выяснили, что мутация вызывает глобальную перестройку метаболизма организма. Она влияет на метаболизм углеводов, жиров и нуклеотидов, а также на активность генов иммунитета и регуляцию биосинтеза белков»

, — добавил Москалёв.

В перспективе авторы исследования предпримут попытку еще больше увеличить продолжительность жизни дрозофил при помощи комбинаций различных факторов химической и физической природы. В конечном счете цель состоит в том, чтобы превысить так называемый видовой предел продолжительности жизни, то есть максимальную задокументированную длительность жизни особей данного вида.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда

Cell Biology.ru

Дрозофила — род содержащий более 500 видов, некоторые из которых приведены здесь Благодаря своим особенностям дрозофила является удобным объектом генетических сследований: 1. Короткое время размножения (десять дней от яйца до половозрелой мухи) 2. Большое число потомков 3. Малый размер и неприхотливость в содержании 4. Большое количество спонтанных мутаций (см. обзор Мутации дрозофилы) 5. Наличие политенных хромосом (см. обзор Политенные хромосомы)

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ДРОЗОФИЛ. Жизненный цикл дрозофилы при 25 °C занимает 10 дней, при 18 °C — месяц. Самки откладывают около 400 яиц, каждое из которых порядка 0,5 мм в длину. Яйца раскрываются через 24 часа. Вылупившиеся личинки растут на протяжении 5 дней, дважды линяя за это время: через 24 и 48 часов после рождения. Затем личинки выползают на поверхность и подсыхая покрываются твердой оболочкой — пупарий и претерпевают пятидневную стадию метаморфоза, в результате которого возникают взрослые особи – имаго. Самки могут быть оплодотворены только один раз за свою жизнь, после чего они непрерывно откладывают яйца, при этом сперма хранится внутри тела самки. После нескольких часов после вылета (5-8) самки остаются стерильными. Именно в этот промежуток экспериментатор собирает вылетевших мух для скрещиваний.

Глаз дрозофилы состоит из 800 омматидиев, каждый из которых состоит из 8 проторецепторных клеток, поддерживающих клеток, пигментных клеток и роговицы. Мухи дикого типа имеют красный цвет глаз. Каждая фоторецепторная клетка состоит из клеточного тела, содержащего ядро и рабдомера состоящего из большого количества мембран содержащих родопсин. Фоторецепторные клетки экспрессируют различные изоформы родопсина. R1-R6 фоторецепторные клетки экспрессируют Rhodopsin1 (Rh1), поглощающий голубой цвет (480 nm). R7 и R8 клетки экспрессируют Rh3 или Rh4, поглащающие ультрафиолет (345 nm и 375 nm), и Rh5 или Rh6,поглощающие голубой (437 nm) и зеленый (508 nm) свет. Пигментация глаз определяется наличием двух генетически независимых пигментных систем, красной и коричневой. Мухи дикого типа имеют кирпично-красный цвет глаз, соответствующий присутствию обеих систем. Коричневая составляющая образуется из двух пигментов омматина и оммина. Красная составляющая образуется из множества пигментов, называемых птеринами. При мутации затрагивающей обе пигментные системы цвет глаз становится белым. Например мутация white, при которой нарушается транспортировка любых пигментов внутри клеток глаза.

ОТЛИЧИЕ САМЦОВ И САМОК.

ПОВЕДЕНИЕ ДРОЗОФИЛ.

Спаривающиеся дрозофилы

• Мутации дрозофилы
• Список всех видов Дрозофилы

‹ Дрожжи Вверх Мутации дрозофилы ›

Нелетающая плодовая мушка (Drosophila melanogaster
)

Рис. 1. Нелетающая плодовая мушка (Drosophila melanogaster

), мутация
vestigial
.

Плодовые мушки дрозофилы и их личинки ― отличный корм для мелких амфибий (древолазов, листолазов), их молодняка, мелких хамелеонов, рыб, питающихся падающими на поверхность воды насекомыми (гуппи, дермогенисов и карпозубых: пляйфери, эпиплятисов и др.), муравьёв, молоди пауков, богомолов, хищных насекомоядных растений, птиц (белоглазки, колибри). У некоторых видов рыб этот вид корма даже стимулирует нерест, например, у представителей рода Carnegiella

.

Рис. 2. Сравнение обычной (дикий тип) (А) и нелетающей формы (vestigial

) (Б) плодовой мушки (
Drosophila melanogaster
).

Данная мутация дрозофилы имеет недоразвитые крылья, поэтому летать они не могут, только ползают (Рис. 1, 2, 3). Однако они могут прыгать и не боятся высоты. Это чистая линия, то есть в последующих поколениях будут рождаться только «бескрылые» мушки. Дикие мушки могут свободно скрещиваться с короткокрылой формой, поэтому надо следить чтобы они не залетели в посуду с мутантами.

Рис. 3. Сравнение обычной (дикий тип) (А) и нелетающей формы (vestigial

) (Б) плодовой мушки (
Drosophila melanogaster
).

Рис. 4. Жизненный цикл плодовой мушки (Drosophila melanogaster

): яйцо (А), личинки (Б), куколка (В) и взрослое насекомое (Г ― самец, Д ― самка).

Мушка дрозофила, как и все двукрылые, имеет три стадии развития: яйцо, личинка, взрослое насекомое (имаго) (Рис. 4). Яйца и личинки приспособлены к жизни в полужидкой среде. Эта приспособленность включает наличие у яиц поплавков-камер, позволяющих держаться на поверхности жидкости, и у личинок ― дыхательных сифонов. Средняя длина и диаметр яиц составляет 420 и 150 мкм, соответственно. При вылуплении из яйца размер личинки дрозофилы составляет немного более 0,5 мм. К концу этой стадии развития при хороших условиях содержания её размеры достигают 5 мм. Половой диморфизм у D. melanogaster

хорошо выражен: самцы меньше самок по размерам тела, брюшко у них цилиндрическое и тупое на конце, тогда как у самок оно более округлое и заострено на конце. Несколько последних брюшных тергитов у самцов пигментированы и образуют черное пятно, видимое невооруженным глазом, благодаря чему их легко отличить от самок. Кроме того, у самок 8 тергитов, а у самцов их только 6. На дистальном конце первых члеников передних ног у самцов располагается половой гребешок, представляющий собой ряд крупных хитиновых щетинок, которые у самок отсутствуют.

Обычно для культивирования дрозофил используют специальную посуду ― стеклянные пробирки шириной 30-40 мм и высотой 100 мм. Отечественные генетики затыкают их ватно-марлевыми пробками, буржуазные ― цилиндрическими кусками поролона. Я использую большие пластиковые бутылки на 2 литра из-под Фанты, срезая верхний конус и закрывая их мелкой нейлоновой сеткой. Для пересадки мушек удобно использовать эксгаустер.

Содержать мушек надо при температуре 23 ― 25°С и влажности 80%. В таких условиях полный цикл развития от яйца до вылупления у этой линии занимает 2 недели, а продолжительность жизни ― примерно 3-4 недели. При температуе выше 30°С наступает полная или частичная стерильность мух, при низких температурах темпы развития замедляются. Обычно рекомендуют помещать в стаканчик на 500 мл примерно 20 мушек-производителей. Если поместить больше, то может возникнуть дефицит пищи и вылупятся аномально мелкие мушки.

В последнее время я стал готовить изюмно-морковную среду. Многие животные неспособны синтезировать некоторые вещества, а получают их из корма. Это относится к витаминам, люциферинам, пигментам и многим токсинам, в том числе батрахотоксинам у лягушек-древолазов, которые получают их, поедая клещей. Способность накапливать пигменты во внешних покровах достоверно известна для рыб, земноводных и птиц. Фламинго в дикой природе становятся розовыми при поедании мелких красноватых жаброногих рачков артемий и их яиц, а в неволе их подкармливают овощами красного цвета, например, болгарским перцем, иначе они теряют розовую окраску. Это верно и в отношении дрозофил: на морковной среде их личинки и имаго становятся оранжевыми и передают в пищевой цепи каротиноиды рыбкам, которые на такой диете приобретают усиленную окраску.

Я готовлю два типа питательных сред: первый тип ― поддерживающая (транспортная) среда в пластиковых стаканчиках на 200 мл. Её задача ― доставить мушек к клиенту целыми-невредимыми, весёлыми, сытыми и здоровыми. Второй тип среды ― ростовая, изюмно-морковная, богатая питательными веществами и витаминами в пластиковых бутылках на 2000 мл. Она готовится специально для максимального выхода мушек.

Рис. 5. Крошечный геккончик (Sphaerodactylus elegans

), поедающий дрозофилу.

Перед скармливанием мушек можно подержать в холодильнике на +4°С примерно полчаса ― это поубавит им прыти и упростит кормление.