Эмбриогенез дрозофилы: модель для изучения развития.
Drosophila embryogenesis
Эмбриогенез Drosophila: генетика развития, модель для изучения эволюционной биологии. Прозрачные эмбрионы, быстрый цикл размножения – идеальны для экспериментов.
Embryogenesis of the fruit fly Drosophila, a popular model system
Эмбриогенез дрозофилы, процесс формирования эмбрионов дрозофилы (плодовой мухи), является широко используемой модельной системой в генетике и биологии развития. Изучение эмбриогенеза позволило разгадать многолетний вопрос о механизмах контроля развития и положило начало эволюционной биологии развития. Небольшой размер, короткий жизненный цикл и большое количество потомства делают дрозофилу идеальным объектом для генетических исследований. Прозрачность эмбрионов облегчает изучение процессов развития. Дрозофила melanogaster была впервые использована в генетических экспериментах Томасом Хант Морганом в 1909 году.
Drosophila embryogenesis, the process by which Drosophila (fruit fly) embryos form, is a favorite model system for genetics and developmental biology. The study of its embryogenesis unlocked the century long puzzle of how development was controlled, creating the field of evolutionary developmental biology. The small size, short generation time, and large brood size make it ideal for genetic studies. Transparent embryos facilitate developmental studies. Drosophila melanogaster was introduced into the field of genetic experiments by Thomas Hunt Morgan in 1909.
Жизненный цикл
Дрозофилы демонстрируют голометаболический метод развития, что означает, что у них есть три отчетливые стадии постэмбрионального жизненного цикла, каждая из которых характеризуется радикально отличным планом строения тела: личинка, куколка и, наконец, взрослая особь. Механизмы, необходимые для функционирования и плавного перехода между этими тремя фазами, развиваются в процессе эмбриогенеза. В ходе эмбриогенеза личиночная стадия мухи развивается и вылупляется на этапе жизни, известном как первая личиночная стадия (инстар). Клетки, которые впоследствии сформируют структуры взрослой особи, откладываются в имагинальные диски. На стадии куколки тело личинки разрушается, в то время как имагинальные диски растут и формируют тело взрослой мухи. Этот процесс называется полной метаморфозой. Примерно через 24 часа после оплодотворения из яйца вылупляется личинка, которая проходит три линьки, занимающие около 5,5–6 дней, после чего она превращается в куколку. Куколка метаморфизирует во взрослую муху, что занимает примерно 3,5–4,5 дня. Весь процесс роста от яйца до взрослой мухи занимает, по оценкам, 10–12 дней при 25 °C. Самка мухи производит яйцеклетки, в которых уже определены передне-задняя и спинно-вентральные оси благодаря материнским факторам. Эмбриогенез у дрозофилы уникален среди модельных организмов тем, что дробление происходит в многоядерном синцитии (строго коэноците). Вначале 256 ядер мигрируют к периферии яйца, формируя синцитиальную бластодерму. Зародышевая линия отделяется от соматических клеток посредством образования полярных клеток на заднем конце эмбриона. После тринадцати митотических делений и примерно через 4 часа после оплодотворения, по оценкам, около 6000 ядер накапливаются в неразделенной цитоплазме яйцеклетки, прежде чем мигрировать к поверхности и быть окруженными плазматическими мембранами, формируя клетки, окружающие желточный мешок и образующие клеточную бластодерму. Как и у других триплобластных метазоа, гаструляция приводит к формированию трех зародышевых листков: эндодермы, мезодермы и эктодермы. Мезодерма инвагинируется из вентральной борозды (ВБ), как и эктодерма, которая даст начало средней кишке. Полярные клетки интернализуются другим путем. Удлинение полосы зародыша включает в себя множество перестроек клеток и появление отчетливых различий в клетках трех зародышевых листков и различных областях эмбриона. Задняя область (включая заднюю кишку) расширяется и простирается к переднему полюсу вдоль спинной стороны эмбриона. В это время становятся видимыми сегменты эмбриона, образуя полосатую структуру вдоль передне-задней оси. Первые признаки сегментации проявляются на этой фазе с образованием парасегментальных борозд. Это также время формирования трахейных ямок – первых признаков дыхательных структур. Втягивание полосы зародыша возвращает заднюю кишку на спинную сторону заднего полюса и совпадает с явной сегментацией. Оставшиеся стадии включают интернализацию нервной системы (эктодерма) и формирование внутренних органов (в основном мезодерма).
Drosophila display a holometabolous method of development, meaning that they have three distinct stages of their post embryonic life cycle, each with a radically different body plan: larva, pupa and finally, adult. The machinery necessary for the function and smooth transition between these three phases develops during embryogenesis. During embryogenesis, the larval stage fly will develop and hatch at a stage of its life known as the first larval instar. Cells that will produce adult structures are put aside in imaginal discs. During the pupal stage, the larval body breaks down as the imaginal disks grow and produce the adult body. This process is called complete metamorphosis. About 24 hours after fertilization, an egg hatches into a larva, which undergoes three molts taking about 5.5 to 6 days, after which it is called a pupa. The pupa metamorphoses into an adult fly, which takes about 3.5 to 4.5 days. The entire growth process from egg to adult fly takes an estimated 10 to 12 days to complete at 25 °C. The mother fly produces oocytes that already have anterior posterior and dorsal ventral axes defined by maternal activities. Embryogenesis in Drosophila is unique among model organisms in that cleavage occurs in a multinucleate syncytium (strictly a coenocyte). Early on, 256 nuclei migrate to the perimeter of the egg, creating the syncytial blastoderm. The germ line segregates from the somatic cells through the formation of pole cells at the posterior end of the embryo. After thirteen mitotic divisions and about 4 hours after fertilization, an estimated 6,000 nuclei accumulate in the unseparated cytoplasm of the oocyte before they migrate to the surface and are encompassed by plasma membranes to form cells surrounding the yolk sac producing a cellular blastoderm. Like other triploblastic metazoa, gastrulation leads to the formation of three germ layers: the endoderm, mesoderm, and ectoderm. The mesoderm invaginates from the ventral furrow (VF), as does the ectoderm that will give rise to the midgut. The pole cells are internalized by a different route. Germ band elongation involves many rearrangements of cells, and the appearance of distinct differences in the cells of the three germ bands and various regions of the embryo. The posterior region (including the hindgut) expands and extends towards the anterior pole along the dorsal side of the embryo. At this time, segments of the embryo become visible, creating a striped arrangement along the anterior posterior axis. The earliest signs of segmentation appear during this phase with the formation of parasegmental furrows. This is also when the tracheal pits form, the first signs of structures for breathing. Germ band retraction returns the hindgut to the dorsal side of the posterior pole and coincides with overt segmentation. The remaining stages involve the internalization of the nervous system (ectoderm) and the formation of internal organs (mainly mesoderm).
Схема передней и задней оси у дрозофилы
Одним из наиболее хорошо изученных примеров формирования паттернов является паттернирование вдоль будущей передне-задней (антеропостериорной) оси плодовой мушки Drosophila melanogaster. Существует три фундаментальных типа генов, определяющих развитие структуры мушки: гены материнского эффекта, гены сегментации и гомеотические гены. Развитие дрозофилы изучено особенно тщательно, и она является типичным представителем крупного класса животных – насекомых (Insecta). Другие многоклеточные организмы иногда используют схожие механизмы для формирования осей, хотя относительная значимость передачи сигналов между самыми ранними клетками многих развивающихся организмов выше, чем в описанном здесь примере.
One of the best understood examples of pattern formation is the patterning along the future head to tail (antero posterior) axis of the fruit fly Drosophila melanogaster. There are three fundamental types of genes that give way to the developmental structure of the fly: maternal effect genes, segmentation genes, and homeotic genes. The development of Drosophila is particularly well studied, and it is representative of a major class of animals, the insects or insecta. Other multicellular organisms sometimes use similar mechanisms for axis formation, although the relative importance of signal transfer between the earliest cells of many developing organisms is greater than in the example described here.
Гены материнского эффекта
Строительные блоки формирования передне-задней оси у дрозофилы закладываются во время образования яйца (оогенеза), задолго до оплодотворения и откладки яйца. Гены материнского эффекта отвечают за полярность яйцеклетки и эмбриона. Развивающаяся яйцеклетка (ооцит) поляризована дифференциально локализованными молекулами мРНК. Гены, кодирующие эти мРНК, называемые генами материнского эффекта, кодируют белки, которые после оплодотворения транслируются, формируя концентрационные градиенты, охватывающие всю яйцеклетку. Бикоид и Ханчбак – наиболее важные гены материнского эффекта, определяющие формирование передних отделов (головы и груди) эмбриона дрозофилы. Нанос и Каудаль – гены материнского эффекта, важные для формирования более задних сегментов брюшка эмбриона дрозофилы. У эмбрионов, полученных от матерей с мутациями в гене бикоид, головные и грудные структуры превращаются в брюшные, что приводит к образованию эмбриона с задними структурами на обоих концах – летальному фенотипу. В целом, разница в локализации ядра ооцита становится разницей в сигнальном состоянии окружающих фолликулярных клеток, которые затем передают сигналы ядрам бластодермы. Попадая в ядро, Дорсаль активирует различные гены в зависимости от своей ядерной концентрации. Этот процесс формирует градиент между вентральной и дорсальной сторонами бластодермального эмбриона, с дифференциальной регуляцией репрессии или индукции генов-мишеней Дорсаль. В вентральной части эмбриона ядра бластодермы, подверженные воздействию высоких концентраций белка Дорсаль, индуцируют транскрипцию факторов транскрипции twist и snail, одновременно подавляя экспрессию zerknüllt и decapentaplegic. Это приводит к формированию мезодермы. В латеральных областях эмбриона низкие ядерные концентрации Дорсаль приводят к экспрессии ромбоида, который идентифицирует будущую нейроэктодерму. Более дорсально активная сигнализация Dpp подавляет ромбоид, ограничивая его экспрессию латеральными ядрами бластодермы. На дорсальной стороне эмбриона ядра бластодермы, содержащие мало или совсем не содержащие ядерного белка Дорсаль, экспрессируют zerknüllt, tolloid и decapentaplegic (Dpp). Это приводит к спецификации не-нейральной эктодермы, а позднее, на стадии бластулы – к амиосерозе. Вентральная активность сигнального белка Dpp семейства TGFβ поддерживается экспрессией секретного антагониста Dpp Sog (short gastrulation) в нейроэктодерме. Sog связывается с Dpp, предотвращая его диффузию в вентральную сторону эмбриона, а также, благодаря расщеплению Sog толоидом, способствует усилению градиента Dpp на дорсальной стороне. ДВ-ось дрозофилы определяется взаимодействием двух градиентов – вентральной концентрации ядерного Дорсаль и дорсальной концентрации активности Dpp.
The building blocks of anterior posterior axis patterning in Drosophila are laid out during egg formation (oogenesis), well before the egg is fertilized and deposited. The maternal effect genes are responsible for the polarity of the egg and of the embryo. The developing egg (oocyte) is polarized by differentially localized mRNA molecules. The genes that code for these mRNAs, called maternal effect genes, encode for proteins that get translated upon fertilization to establish concentration gradients that span the egg. Bicoid and Hunchback are the maternal effect genes that are most important for patterning of anterior parts (head and thorax) of the Drosophila embryo. Nanos and Caudal are maternal effect genes that are important in the formation of more posterior abdominal segments of the Drosophila embryo. In embryos from bicoid mutant mothers, the head and thoracic structures are converted to the abdomen making the embryo with posterior structures on both ends, a lethal phenotype. Overall, a difference in the localization of the oocyte nucleus becomes a difference in the signaling state of the surrounding follicle cells which then signal to the resulting blastoderm nuclei. Once in the nucleus, Dorsal activates different genes depending upon its nuclear concentration. This process sets up a gradient between the ventral and dorsal side of the blastoderm embryo with the repression or induction of Dorsal target genes being differentially regulated. At the ventral end of the embryo, blastoderm nuclei exposed to high concentrations of dorsal protein induce the transcription of the transcription factors twist and snail while repressing zerknüllt and decapentaplegic. This results in the formation of the mesoderm. In the lateral regions of the embryo, low nuclear concentrations of Dorsal lead to the expression of rhomboid which identifies future neuroectoderm. More dorsally, active Dpp signaling represses rhomboid thus confining it to the lateral blastoderm nuclei. At the dorsal side of the embryo, blastoderm nuclei where this is little or no nuclear dorsal protein express zerknüllt, tolloid, and decapentaplegic (Dpp). This leads to the specification of non neural ectoderm and later in the blastula stage to anmioserosa. The ventral activity of the TGF β family signaling protein Dpp is maintained by the expression of the secreted Dpp antagonist Sog (short gastrulation) in the neuroectoderm. Sog binds to and prevents Dpp from diffusing to the ventral side of the embryo and through the cleavage of Sog by Tolloid also enables a sharpening of the Dpp gradient on the dorsal side. The DV axis of Drosophila is due to the interaction of two gradients – a ventral concentration of nuclear Dorsal and a dorsal concentration of Dpp activity.