Плодовая мушка Drosophila melanogaster: Биология и значение в исследованиях.

Введение

Вид плодовой мухи

Drosophila melanogaster – вид мух (отряда Diptera) из семейства Drosophilidae. Этот вид часто называют плодовой мухой или малой плодовой мухой, а реже – «уксусной мухой», «мухой на варенье» или «банановой мухой». При этом в некоторых недавних публикациях «уксусная муха» предпочтительнее как более точное описание, чем «фруктовая муха». В природе D. melanogaster привлекают гниющие фрукты и бродящие напитки, и их часто можно встретить в садах, на кухнях и в пабах. Начиная с предложения Чарльза В. Вудворта в 1901 году использовать этот вид в качестве модельного организма, D. melanogaster продолжает широко применяться в биологических исследованиях в области генетики, физиологии, микробного патогенеза и эволюции жизненных стратегий. По состоянию на 2017 год шесть Нобелевских премий были присуждены исследователям, работающим с этим видом насекомого. Drosophila melanogaster обычно используется в исследованиях благодаря быстрому жизненному циклу, относительно простой генетике с всего четырьмя парами хромосом и большому количеству потомства в каждом поколении. Изначально это был африканский вид, и все неафриканские линии имеют общее происхождение. Его географический ареал охватывает все континенты, включая острова. D. melanogaster – распространенный вредитель в домах, ресторанах и других местах, где хранят или подают продукты питания. Мухи семейства Tephritidae также называются «фруктовыми мухами», что может приводить к путанице, особенно в Средиземноморье, Австралии и Южной Африке, где средиземноморская плодовая муха Ceratitis capitata является серьезным сельскохозяйственным вредителем.

Этимология

Термин "дрозофила", означающий "любящая росу", является современной научной латинской адаптацией греческих слов δρόσος (drósos) – "роса", и φιλία (philía) – "любовь". Термин "меланогастер", означающий "чёрный живот", происходит от древнегреческого μέλας (mélas) – "чёрный", и γᾰστήρ (gastḗr) – "живот".

Физическая внешность

Дикие плодовые мухи имеют желтовато-коричневый цвет, кирпично-красные глаза и поперечные черные кольца на брюшке. Черные участки брюшка послужили источником названия вида (melanogaster = "чернобрюхий"). Кирпично-красный цвет глаз дикой мухи обусловлен двумя пигментами: ксантомматином, который имеет коричневый цвет и образуется из триптофана, и дрозоптеринами, которые красные и образуются из гуанозинтрифосфата. Drosophila melanogaster можно отличить от близких видов по следующей комбинации признаков: гена составляет примерно 1/10 диаметра глаза по максимальной вертикальной высоте; крылья гиалиновые, с костальным индексом 2,4; у самцов прототарзус имеет один ряд из примерно 12 щетинок, формирующих половой гребень; задняя лопасть эпандрия самцов небольшая и почти треугольная; у самок на 6-м тергите брюшка имеется темная полоса, доходящая до вентрального края; овискапт самок маленький, бледный, без дорсодистального углубления и с 12-13 шиповидными наружными овисенсиллами. Мухи Drosophila melanogaster способны чувствовать воздушные потоки с помощью волосков на спине. Их глаза чувствительны к незначительным изменениям интенсивности света и инстинктивно улетают при обнаружении тени или другого движения.

Жизненный цикл и размножение

При оптимальных условиях роста при 25 °C (77 °F) продолжительность жизни D. melanogaster составляет около 50 дней от яйца до смерти. Период развития D. melanogaster варьируется в зависимости от температуры, как и у многих эктотермических видов. Наименьшее время развития (от яйца до имаго), 7 дней, достигается при 28 °C (82 °F). Время развития увеличивается при более высоких температурах (11 дней при 30 °C (86 °F)) из-за теплового стресса. В идеальных условиях время развития при 25 °C (77 °F) составляет 8,5 дней, при 18 °C (64 °F) – 19 дней, при этом выходящие мухи меньше по размеру. Самки откладывают около 400 яиц (эмбрионов), примерно по пять за раз, в гниющие фрукты или другой подходящий субстрат, такой как разлагающиеся грибы и сок, вытекающий из повреждений коры. Дрозофила меланогастер – голометаболическое насекомое, поэтому проходит полную метаморфозу. Ее жизненный цикл состоит из 4 стадий: эмбрион, личинка, куколка, имаго. Яйца, длиной около 0,5 мм, вылупляются через 12–15 часов (при 25 °C (77 °F)). Затем личинки окукливаются в пупарии и проходят 4-дневную метаморфозу (при 25 °C), после чего взрослые особи выходят из куколки. Копуляция длится около 15–20 минут, в течение которых самцы передают самке несколько сотен очень длинных (1,76 мм) сперматозоидов в семенной жидкости. Самки хранят сперму в трубчатом репозитории и в двух сперматеках грибовидной формы; сперматозоиды от разных спариваний конкурируют за оплодотворение. Предполагается, что существует приоритет последнего самца; последний самец, спарившийся с самкой, является отцом примерно 80% ее потомства. Этот приоритет обусловлен как вытеснением, так и инактивацией спермы. Вытеснение связано с манипуляциями самки со спермой во время многократных спариваний и наиболее выражено в течение первых 1–2 дней после копуляции. Вытеснение из семенного репозитория более значимо, чем вытеснение из сперматек. Секс-пептид нарушает этот гомеостаз и резко меняет эндокринный статус самки, стимулируя синтез ювенильного гормона в корпусе аллатума. D. melanogaster часто используется в исследованиях увеличения продолжительности жизни, например, для идентификации генов, мутации в которых предположительно увеличивают продолжительность жизни. D. melanogaster также используется в исследованиях старения. Синдром Вернера – это заболевание у людей, характеризующееся ускоренным старением. Оно вызвано мутациями в гене WRN, кодирующем белок, играющий важную роль в восстановлении повреждений ДНК. Мутации в гомологе WRN у D. melanogaster также вызывают усиление физиологических признаков старения, таких как сокращение продолжительности жизни, повышение частоты возникновения опухолей, дегенерация мышц, снижение способности к лазанию, изменение поведения и снижение двигательной активности.

Under optimal growth conditions at 25 °C (77 °F), the D. melanogaster lifespan is about 50 days from egg to death. The developmental period for D. melanogaster varies with temperature, as with many ectothermic species. The shortest development time (egg to adult), 7 days, is achieved at 28 °C (82 °F). Development times increase at higher temperatures (11 days at 30 °C (86 °F)) due to heat stress. Under ideal conditions, the development time at 25 °C (77 °F) is 8.5 days, at 18 °C (64 °F) it takes 19 days while the emerging flies are smaller. Females lay some 400 eggs (embryos), about five at a time, into rotting fruit or other suitable material such as decaying mushrooms and sap fluxes. Drosophila melanogaster is a holometabolous insect, so it undergoes a full metamorphosis. Their life cycle is broken down into 4 stages: embryo, larva, pupa, adult. The eggs, which are about 0.5 mm long, hatch after 12–15 hours (at 25 °C (77 °F)). Then the larvae encapsulate in the puparium and undergo a 4 day long metamorphosis (at 25 °C), after which the adults eclose (emerge). Copulation lasts around 15–20 minutes, during which males transfer a few hundred, very long (1.76 mm) sperm cells in seminal fluid to the female. Females store the sperm in a tubular receptacle and in two mushroom shaped spermathecae; sperm from multiple matings compete for fertilization. A last male precedence is believed to exist; the last male to mate with a female sires about 80% of her offspring. This precedence was found to occur through both displacement and incapacitation. The displacement is attributed to sperm handling by the female fly as multiple matings are conducted and is most significant during the first 1–2 days after copulation. Displacement from the seminal receptacle is more significant than displacement from the spermathecae. Sex peptide perturbs this homeostasis and dramatically shifts the endocrine state of the female by inciting juvenile hormone synthesis in the corpus allatum. D. melanogaster is often used for life extension studies, such as to identify genes purported to increase lifespan when mutated. D. melanogaster is also used in studies of aging. Werner syndrome is a condition in humans characterized by accelerated aging. It is caused by mutations in the gene WRN that encodes a protein with essential roles in repair of DNA damage. Mutations in the D. melanogaster homolog of WRN also cause increased physiologic signs of aging, such as shorter lifespan, higher tumor incidence, muscle degeneration, reduced climbing ability, altered behavior and reduced locomotor activity.

Мейоз

Мейотическая рекомбинация у D. melanogaster, по всей видимости, задействована в восстановлении повреждений ДНК в половых клетках, о чем свидетельствует то, что мейотическая рекомбинация индуцируется ДНК-повреждающими агентами – ультрафиолетовым излучением и митомицином С.

Женщины

Самки становятся восприимчивыми к ухаживающим самцам примерно через 8–12 часов после выхода из куколки. Было обнаружено, что определенные группы нейронов у самок влияют на поведение при спаривании и выбор партнера. Одна из таких групп в брюшной нервной цепочке позволяет самке приостанавливать движения тела для спаривания. Активация этих нейронов вызывает прекращение движения самкой и ориентацию в сторону самца для обеспечения возможности спаривания. Если эта группа инактивирована, самка остается в движении и не спаривается. Различные химические сигналы, такие как феромоны самцов, часто способны активировать эту группу.

Самцы

У самцов *D. melanogaster* наблюдается выраженная кривая обучения в процессе размножения. Это означает, что с приобретением сексуального опыта эти мухи склонны изменять свое дальнейшее поведение при спаривании различными способами. Эти изменения включают в себя повышение избирательности в отношении ухаживания исключительно за особями своего вида, а также сокращение времени ухаживания. Известно, что сексуально неопытные самцы *D. melanogaster* тратят значительное время на межвидовое ухаживание, например, за мухами *D. simulans*. Неопытные самцы *D. melanogaster* также будут пытаться ухаживать за самками, которые еще не достигли половой зрелости, и даже за другими самцами. Самцы *D. melanogaster* проявляют небольшую или вообще не проявляют предпочтения к самкам *D. melanogaster* по сравнению с самками других видов или другими самцами. Однако, после того как самцы *D. simulans* или другие мухи, не способные к спариванию, отвергают ухаживания самцов *D. melanogaster*, последние значительно реже тратят время на неспецифическое ухаживание в будущем. Эта очевидная модификация поведения, по-видимому, имеет эволюционное значение, поскольку позволяет самцам избегать затрат энергии на бесплодные попытки спаривания. Кроме того, самцы с предыдущим сексуальным опытом изменяют свой брачный танец при попытке спаривания с новыми самками – опытные самцы тратят меньше времени на ухаживание, что приводит к снижению латентного периода спаривания, то есть они способны размножаться быстрее. Это снижение латентного периода спаривания повышает эффективность спаривания опытных самцов по сравнению с неопытными. Эта модификация также обладает явными эволюционными преимуществами, поскольку повышенная эффективность спаривания имеет чрезвычайно важное значение с точки зрения естественного отбора.

Полигамия

И самцы, и самки D. melanogaster ведут полигамный образ жизни (имея несколько половых партнеров одновременно). У обоих полов полигамия приводит к снижению вечерней активности по сравнению с неспаровавшимися мухами, причем у самцов это снижение выражено сильнее, чем у самок. Репродуктивный успех самцов и самок различен, поскольку самке достаточно однократного спаривания для достижения максимальной фертильности. Было обнаружено, что колебания активности нейронов DN1 зависят от социосексуальных взаимодействий и связаны со снижением вечерней активности, вызванным спариванием. Томас Хант Морган начал использовать плодовых мух в экспериментальных исследованиях наследственности в Колумбийском университете в 1910 году в лаборатории, известной как "Мушиная комната". "Мушиная комната" была тесной, с восемью рабочими столами, за каждым из которых занимались студенты и проводили свои эксперименты. Они начинали эксперименты, выращивая плодовых мух в молочных бутылках и наблюдая за их признаками с помощью луп. Позже лупы были заменены микроскопами, что позволило улучшить наблюдения. Морган и его ученики в конечном итоге выяснили многие фундаментальные принципы наследственности, включая сцепленное с полом наследование, эпистаз, множественные аллели и картирование генов.

Классические генетические мутации

Гены дрозофилы традиционно называются в честь фенотипа, который они вызывают при мутациях. Например, отсутствие определенного гена у дрозофилы приводит к мутантному эмбриону, у которого не развивается сердце. Ученые назвали этот ген tinman (основоположник), в честь одноименного персонажа из страны Оз. Аналогично, изменения в гене Shavenbaby вызывают потерю дорсальных кутикулярных щетинок у личинок Drosophila sechellia. Эта система номенклатуры приводит к большему разнообразию названий генов, чем у других организмов. b: черный Мутация black была обнаружена в 1910 году Томасом Хант Морганом. Мутация black приводит к более темному окрасу тела, крыльев, жил и сегментов ноги плодовой мухи. Это происходит из-за неспособности мухи синтезировать бета-аланин, бета-аминокислоту. bw: коричневый Мутация brown (коричневый цвет глаз) является результатом неспособности продуцировать или синтезировать пигменты птеридина (красного цвета) из-за точечной мутации на второй хромосоме. При гомозиготности по этой мутации синтез пигментов птеридина невозможен, поскольку в начале пути синтеза птеридина кодируется дефектный фермент гомозиготными рецессивными генами. Ненадежный источник: дата=март 2019 В целом, мутации в пути синтеза птеридина приводят к более темному цвету глаз, следовательно, цвет биохимического дефекта в этом пути – коричневый. m: миниатюрный Одна из первых регистраций мутации miniature (миниатюрные крылья) также была сделана Томасом Хант Морганом в 1911 году. Он описал крылья как имеющие форму, аналогичную фенотипу дикого типа. Однако название "миниатюрные" относится к длине крыльев, которые не достигают конца брюшка и, следовательно, значительно короче, чем у диких особей. Он также отметил, что наследование этой мутации связано с полом мухи и может сочетаться с наследованием других половых признаков, таких как белые глаза. Крылья также могут проявлять другие характеристики, отличающиеся от крыльев дикого типа, например, более тусклый и мутный цвет. Миниатюрные крылья в 1,5 раза короче, чем у диких, но, предположительно, содержат такое же количество клеток. Это связано с недостаточным расплющиванием клеток, что делает общую структуру крыла визуально короче. Процесс расширения крыльев регулируется сигнальным рецепторным путем, в котором нейрогормон бурсикон взаимодействует со своим комплементарным G-белок-связанным рецептором; этот рецептор активирует одну из субъединиц G-белка, что приводит к дальнейшей активности ферментов и развитию крыла, включая апоптоз и рост. se: сепия Цвет глаз мутанта sepia (сепия) – сепия, красновато-коричневый. У мух дикого типа оммохромы (коричневые) и дрозоптерины (красные) придают глазам типичный красный цвет. Дрозоптерины синтезируются путем, включающим пиримидиоазепин-синтазу, кодируемую на 3L-хромосоме. У мух sepia ген содержит преждевременный стоп-кодон, из-за чего мухи не могут производить пиримидиоазепин-синтазу и, следовательно, не синтезируют красный пигмент, что приводит к сепии. v: вермильон Мутанты vermilion (вермильон) не могут производить коричневые оммохромы, оставляя только красные дрозоптерины, в результате чего глаза приобретают цвет вермильона (ярко-красный) по сравнению с диким типом D. melanogaster. Мутация vermilion сцеплена с полом и рецессивна. Дефектный ген расположен на X-хромосоме. Коричневые оммохромы синтезируются из кинуренина, который образуется из триптофана. Мухи vermilion не могут превращать триптофан в кинуренин и, следовательно, не могут синтезировать оммохромы. vg: vestigial (недоразвитые) Спонтанная мутация, обнаруженная в 1919 году Томасом Морганом и Кальвином Бриджесом. Крылья vestigial – это недоразвитые крылья, утратившие свою функцию. С момента открытия гена vestigial у Drosophila melanogaster было сделано множество открытий гена vestigial у других позвоночных и изучены его функции у позвоночных. Ген vestigial считается одним из наиболее важных генов для формирования крыльев, но при его сверхэкспрессии начинают формироваться эктопические крылья. Ген vestigial регулирует экспрессию дисков имагинальных крыльев у эмбриона и взаимодействует с другими генами для регулирования развития крыльев. Мутировавший аллель vestigial удаляет важную последовательность ДНК, необходимую для правильного развития крыльев. w: белый У Drosophila melanogaster дикого типа обычно наблюдается кирпично-красный цвет глаз. Мутация white (белые глаза) у плодовых мух вызвана отсутствием двух пигментов, связанных с красным и коричневым цветом глаз: перидина (красный) и оммохрома (коричневый). Мутация white приводит к нескольким недостаткам у мух, таким как снижение способности к лазанию, сокращение продолжительности жизни и снижение устойчивости к стрессу по сравнению с мухами дикого типа. Drosophila melanogaster обладает рядом брачных поведенческих реакций, которые позволяют им спариваться в определенной среде и, следовательно, способствуют их приспособленности. После открытия Морганом мутации white, связанной с полом, исследование, проведенное Стёртевантом (1915), показало, что самцы с белыми глазами менее успешны, чем самцы дикого типа, в отношении спаривания с самками. Было обнаружено, что чем выше плотность пигментации глаз, тем выше успех спаривания у самцов Drosophila melanogaster. Мутация y (желтый) включает следующие фенотипические классы: мутанты, демонстрирующие полную потерю пигментации кутикулы (тип y), и другие мутанты, демонстрирующие мозаичный рисунок пигментации с некоторыми областями кутикулы (дикий тип, тип y2). Роль гена yellow (желтый) разнообразна и отвечает за изменения в поведении, половом созревании и эпигенетическом перепрограммировании. Ген y является идеальным геном для изучения, поскольку легко определить, есть ли у организма этот ген, что облегчает понимание передачи ДНК потомству, и содержит около 15 682 генов согласно релизу 73 Ensemble. Более 60% генома, по-видимому, составляют функциональные некодирующие ДНК, участвующие в контроле экспрессии генов. Определение пола у Drosophila происходит по соотношению X:A (количество X-хромосом к аутосомам), а не из-за наличия Y-хромосомы, как у человека. Хотя Y-хромосома полностью гетерохроматична, она содержит по крайней мере 16 генов, многие из которых, как полагают, связаны с мужскими функциями. Существует три ортолога трансферрина, все из которых резко отличаются от известных у моделей хордовых.

Drosophila genes are traditionally named after the phenotype they cause when mutated. For example, the absence of a particular gene in Drosophila will result in a mutant embryo that does not develop a heart. Scientists have thus called this gene tinman, named after the Oz character of the same name. Likewise changes in the Shavenbaby gene cause the loss of dorsal cuticular hairs in Drosophila sechellia larvae. This system of nomenclature results in a wider range of gene names than in other organisms. b: black The black mutation was discovered in 1910 by Thomas Hunt Morgan. The black mutation results in a darker colored body, wings, veins, and segments of the fruit fly's leg. This occurs due to the fly's inability to create beta alanine, a beta amino acid. bw: brown The brown eye mutation results from inability to produce or synthesize pteridine (red) pigments, due to a point mutation on chromosome II. When the mutation is homozygous, the pteridine pigments are unable to be synthesized because in the beginning of the pteridine pathway, a defective enzyme is being coded by homozygous recessive genes. Unreliable source: date=March 2019 In all, mutations in the pteridine pathway produces a darker eye color, hence the resulting color of the biochemical defect in the pteridine pathway being brown. m: miniature One of the first records of the miniature mutation of wings was also made by Thomas Hunt Morgan in 1911. He described the wings as having a similar shape as the wild type phenotype. However, their miniature designation refers to the lengths of their wings, which do not stretch beyond their body and, thus, are notably shorter than the wild type length. He also noted its inheritance is connected to the sex of the fly and could be paired with the inheritance of other sex determined traits such as white eyes. The wings may also demonstrate other characteristics deviant from the wild type wing, such as a duller and cloudier color. Miniature wings are 1.5x shorter than wild type but are believed to have the same number of cells. This is due to the lack of complete flattening by these cells, making the overall structure of the wing seem shorter in comparison. The pathway of wing expansion is regulated by a signal receptor pathway, where the neurohormone bursicon interacts with its complementary G protein coupled receptor; this receptor drives one of the G protein subunits to signal further enzyme activity and results in development in the wing, such as apoptosis and growth. se: sepia The eye color of the sepia mutant is sepia, a reddish brown color. In wild type flies, ommochromes (brown) and drosopterins (red) give the eyes the typical red color. The drosopterins are made via a pathway that involves a pyrimidodiazepine synthase, which is encoded on chromosome 3L. The gene has a premature stop codon in sepia flies, so that the flies cannot produce the pyrimidodiazepine synthase and thus no red pigment, so that the eyes stay sepia. v: vermilion The vermilion mutants cannot produce the brown ommochromes leaving the red drosopterins so that the eyes are vermilion colored (a radiant red) compared to a wild type D. melanogaster. The vermilion mutation is sex linked and recessive. The gene that is defect lies on the X chromosome. The brown ommochromes are synthesised from kynurenine, which is made from tryptophane. Vermilion flies cannot convert tryptophane into kynurenine and thus cannot make ommochromes, either. vg: vestigial A spontaneous mutation, discovered in 1919 by Thomas Morgan and Calvin Bridges. Vestigial wings are those not fully developed and that have lost function. Since the discovery of the vestigial gene in Drosophila melanogaster, there have been many discoveries of the vestigial gene in other vertebrates and their functions within the vertebrates. The vestigial gene is considered to be one of the most important genes for wing formation, but when it becomes over expressed the issue of ectopic wings begin to form. The vestigial gene acts to regulate the expression of the wing imaginal discs in the embryo and acts with other genes to regulate the development of the wings. A mutated vestigial allele removes an essential sequence of the DNA required for correct development of the wings. w: white Drosophila melanogaster wild type typically expresses a brick red eye color. The white eye mutation in fruit flies is caused due to the absence of two pigments associated with red and brown eye colors; peridines (red) and ommochromes (brown). The white eye mutation leads to several disadvantages in flies, such as a reduced climbing ability, shortened life span, and lowered resistance to stress when compared to wild type flies. Drosophila melanogaster has a series of mating behaviors that enable them to copulate within a given environment and therefore contribute to their fitness. After Morgan's discovery of the white eye mutation being sex linked, a study led by Sturtevant (1915) concluded that white eyed males were less successful than wild type males in terms of mating with females. It was found that the greater the density in eye pigmentation, the greater the success in mating for the males of Drosophila melanogaster. The y mutation comprises the following phenotypic classes: the mutants that show a complete loss of pigmentation from the cuticle (y type) and other mutants that show a mosaic pigment pattern with some regions of the cuticle (wild type, y2 type). The role of the yellow gene is diverse and is responsible for changes in behaviour, sex specific reproductive maturation and, epigenetic reprogramming. The y gene is an ideal gene to study as it is visibly clear when an organism has this gene, making it easier to understand the passage of DNA to offspring. and contains around 15,682 genes according to Ensemble release 73. More than 60% of the genome appears to be functional non protein coding DNA involved in gene expression control. Determination of sex in Drosophila occurs by the X:A ratio of X chromosomes to autosomes, not because of the presence of a Y chromosome as in human sex determination. Although the Y chromosome is entirely heterochromatic, it contains at least 16 genes, many of which are thought to have male related functions. There are three transferrin orthologs, all of which are dramatically divergent from those known in chordate models.

Сходство с людьми

Исследование, проведенное в марте 2000 года Национальным институтом исследования генома человека, сравнившее геном плодовой мушки и геном человека, оценило, что около 60% генов сохраняются у обоих видов. Примерно 75% известных генов, связанных с человеческими заболеваниями, имеют четкое соответствие в геноме плодовой мушки, а 50% последовательностей белков мушки имеют гомологи у млекопитающих. Для поиска гомологов генов, связанных с человеческими заболеваниями, у мух и наоборот доступна онлайн-база данных под названием Homophila. Плодовая мушка (Drosophila) используется в качестве генетической модели для изучения ряда человеческих заболеваний, включая нейродегенеративные расстройства, такие как болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, спиноцеребеллярная атаксия и болезнь Альцгеймера. Мушка также используется для изучения механизмов, лежащих в основе старения и окислительного стресса, иммунитета, диабета и рака, а также наркотической зависимости.

Разработка

Жизненный цикл этого насекомого состоит из четырех стадий: оплодотворенного яйца, личинки, куколки и взрослой особи. Ядерное деление в раннем эмбрионе дрозофилы происходит настолько быстро, что не существует надлежащих контрольных точек, поэтому возможны ошибки при делении ДНК. Чтобы обойти эту проблему, ядра, допустившие ошибку, отсоединяются от центросом и опускаются в центр эмбриона (желточный мешок), который не будет частью мухи. Генная сеть (транскрипционные и белковые взаимодействия), регулирующая раннее развитие эмбриона плодовой мухи, является одной из наиболее хорошо изученных на сегодняшний день, особенно в отношении формирования вдоль передне-задней (AP) и спинно-брюшной (DV) осей (см. раздел «Морфогенез»). Факторы окружающей среды могут влиять на различные аспекты развития Drosophila melanogaster. Плодовые мухи, выращенные в условиях гипоксии, демонстрируют уменьшенную длину груди, в то время как гиперoxia приводит к уменьшению мышц полета, что указывает на негативное влияние экстремальных уровней кислорода на развитие. Циркадные ритмы также подвержены развитию пластичности. Световые условия во время развития влияют на суточную активность Drosophila melanogaster: мухи, выращенные в постоянной темноте или свете, менее активны во взрослом возрасте, чем те, которые выращены в 12-часовом цикле свет/темнота. Температура – один из наиболее распространенных факторов, влияющих на развитие членистоногих. У Drosophila melanogaster индуцированная температурой пластичность развития может быть как полезной, так и вредной. Чаще всего более низкие температуры развития замедляют темпы роста, что влияет на многие другие физиологические факторы. Например, развитие при 25 °C увеличивает скорость ходьбы, диапазон тепловой эффективности и успех в борьбе за территорию, в то время как развитие при 18 °C увеличивает массу тела и размер крыльев, что связано с приспособленностью. Хотя некоторые эффекты температуры развития, такие как размер тела, необратимы у эктотермов, другие могут быть обратимыми. Когда Drosophila melanogaster развивается при низких температурах, у них повышается устойчивость к холоду, но если этих мух содержат при более высоких температурах, их устойчивость к холоду снижается, а устойчивость к теплу увеличивается со временем. Поскольку насекомые обычно спариваются только в определенном диапазоне температур, их устойчивость к холоду и теплу является важной характеристикой для максимизации репродуктивной способности. Хотя ожидается, что описанные выше признаки будут проявляться одинаково у обоих полов, температура развития также может оказывать полоспецифическое воздействие на взрослых особей D. melanogaster. У самок количество яйцевых трубок значительно зависит от температуры развития у D. melanogaster. Размер яйцеклетки также зависит от температуры развития и усугубляется, когда оба родителя развиваются при теплых температурах (см. Материнский эффект). В широком диапазоне температур развития самки, как правило, обладают большей устойчивостью к теплу, чем самцы. У самцов стрессовые температуры развития вызывают стерильность у самцов D. melanogaster, хотя верхний предел температуры можно повысить, поддерживая штаммы при высоких температурах (см. акклиматизацию). Самцы, выращенные при 25 °C по сравнению с 18 °C, меньше и более успешно защищают места кормления/откладки яиц; таким образом, более мелкие самцы имеют повышенный успех в спаривании и репродуктивную отдачу. Кроме того, каждая клетка «решает», быть ли ей мужской или женской, независимо от остальной части организма, что иногда приводит к появлению гинандроморфов. Отношение Х-хромосом к аутосомам Пол XXXX AAAA 1 Нормальная самка XXX AAA 1 Нормальная самка XXY AA 1 Нормальная самка XXYY AA 1 Нормальная самка XX AA 1 Нормальная самка XY AA 0,50 Нормальный самец X AA 0,50 Нормальный самец (стерильный) XXX AA 1,50 Метасамка XXXX AAA 1,33 Метасамка XX AAA 0,66 Интерсекс X AAA 0,33 Метасамец.

The life cycle of this insect has four stages: fertilized egg, larva, pupa, and adult. Nuclear division in the early Drosophila embryo happens so quickly, no proper checkpoints exist, so mistakes may be made in division of the DNA. To get around this problem, the nuclei that have made a mistake detach from their centrosomes and fall into the centre of the embryo (yolk sac), which will not form part of the fly. The gene network (transcriptional and protein interactions) governing the early development of the fruit fly embryo is one of the best understood gene networks to date, especially the patterning along the anteroposterior (AP) and dorsoventral (DV) axes (See under morphogenesis). environmental factors can influence several aspects of development in Drosophila melanogaster. Fruit flies reared under a hypoxia treatment experience decreased thorax length, while hyperoxia produces smaller flight muscles, suggesting negative developmental effects of extreme oxygen levels. Circadian rhythms are also subject to developmental plasticity. Light conditions during development affect daily activity patterns in Drosophila melanogaster, where flies raised under constant dark or light are less active as adults than those raised under a 12 hour light/dark cycle. Temperature is one of the most pervasive factors influencing arthropod development. In Drosophila melanogaster temperature induced developmental plasticity can be beneficial and/or detrimental. Most often lower developmental temperatures reduce growth rates which influence many other physiological factors. For example, development at 25 °C increases walking speed, thermal performance breadth, and territorial success, while development at 18 °C increases body mass, wing size, all of which are tied to fitness. While certain effects of developmental temperature, like body size, are irreversible in ectotherms, others can be reversible. When Drosophila melanogaster develop at cold temperatures they will have greater cold tolerance, but if cold reared flies are maintained at warmer temperatures their cold tolerance decreases and heat tolerance increases over time. Because insects typically only mate in a specific range of temperatures, their cold/heat tolerance is an important trait in maximizing reproductive output. While the traits described above are expected to manifest similarly across sexes, developmental temperature can also produce sex specific effects in D. melanogaster adults. Females Ovariole number is significantly affected by developmental temperature in D. melanogaster. Egg size is also affected by developmental temperature, and exacerbated when both parents develop at warm temperatures (See Maternal effect). Across a wide range of developmental temperatures, females tend to have greater heat tolerance than males. Males Stressful developmental temperatures will cause sterility in D. melanogaster males; although the upper temperature limit can be increased by maintaining strains at high temperatures (See acclimation). Male flies are smaller and more successful at defending food/oviposition sites when reared at 25 °C versus 18 °C; thus smaller males will have increased mating success and reproductive output. Furthermore, each cell "decides" whether to be male or female independently of the rest of the organism, resulting in the occasional occurrence of gynandromorphs. X Chromosomes Autosomes Ratio of X:A Sex XXXX AAAA 1 Normal Female XXX AAA 1 Normal Female XXY AA 1 Normal Female XXYY AA 1 Normal Female XX AA 1 Normal Female XY AA 0.50 Normal Male X AA 0.50 Normal Male (sterile) XXX AA 1.50 Metafemale XXXX AAA 1.33 Metafemale XX AAA 0.66 Intersex X AAA 0.33 Metamale

Три основных гена участвуют в определении пола у дрозофилы. Это sex-lethal (половой смертельный), sisterless (без сестер) и deadpan (без ответа). Deadpan – аутосомный ген, который ингибирует sex-lethal, в то время как sisterless находится на Х-хромосоме и ингибирует действие deadpan. В клетке AAX в два раза больше deadpan, чем sisterless, поэтому sex-lethal будет ингибирован, что приведет к образованию самца. Однако клетка AAXX произведет достаточно sisterless, чтобы подавить действие deadpan, что позволит транскрибировать ген sex-lethal и создать самку. Позже контроль со стороны deadpan и sisterless исчезает, и важным становится форма гена sex-lethal. Вторичный промотор вызывает транскрипцию как у самцов, так и у самок. Анализ кДНК показал, что у самцов и самок экспрессируются разные формы. Было показано, что sex-lethal влияет на сплайсинг собственной мРНК. У самцов включается третий экзон, который кодирует стоп-кодон, что приводит к образованию усеченной формы. В женской версии присутствие sex-lethal приводит к пропуску этого экзона; остальные семь аминокислот образуют полную пептидную цепь, что опять же является отличием между самцами и самками. Присутствие или отсутствие функциональных белков sex-lethal впоследствии влияет на транскрипцию другого белка, известного как doublesex (двойной пол). В отсутствие sex-lethal у doublesex удаляется четвертый экзон и трансляция происходит до и включая экзон 6 (DSX M[алеский]), в то время как в его присутствии четвертый экзон, кодирующий стоп-кодон, производит усеченную версию белка (DSX F[емельский]). DSX F вызывает транскрипцию белков желтка 1 и 2 в соматических клетках, которые будут перекачиваться в ооцит при его образовании.

Иммунитет

Иммунную систему *D. melanogaster* можно разделить на два типа ответов: гуморальный и клеточный. Гуморальный – это системный ответ, опосредованный в значительной степени путями toll и Imd, которые представляют собой параллельные системы для обнаружения микробов. В ключевых физиологических реакциях на инфекцию также участвуют другие пути, включая пути ответа на стресс JAK STAT и P38, сигнальные пути, связанные с питанием через FOXO, и сигнальный путь гибели клеток JNK. *D. melanogaster* обладает органом, называемым «жировым телом», который аналогичен печени человека. Жировое тело является основным секреторным органом и при инфекции производит ключевые иммунные молекулы, такие как серинпротеазы и антимикробные пептиды (АМП). АМП секретируются в гемолимфу и связывают инфекционные бактерии и грибки, уничтожая их путем образования пор в клеточных стенках или ингибирования внутриклеточных процессов. Клеточный иммунный ответ, напротив, относится к прямой активности клеток крови (гемоцитов) у дрозофилы, которые аналогичны моноцитам/макрофагам млекопитающих. Гемоциты также играют значительную роль в опосредовании гуморальных иммунных ответов, таких как реакция меланизации. Иммунный ответ на инфекцию может включать до 2423 генов, или 13,7% генома. Хотя транскрипционный ответ мухи на микробный вызов высокоспецифичен для отдельных патогенов, дрозофила дифференциально экспрессирует основную группу из 252 генов при заражении большинством бактерий. Эта основная группа генов связана с категориями генной онтологии, такими как антимикробный ответ, ответ на стресс, секреция, нейроноподобные характеристики, размножение и метаболизм, среди прочих. Дрозофила также обладает несколькими иммунными механизмами, которые формируют микробиоту и предотвращают чрезмерные иммунные реакции при обнаружении микробных стимулов. Например, секретируемые PGRP с амидазной активностью нейтрализуют и разрушают иммуностимулирующий DAP-тип PGN, чтобы заблокировать активацию Imd. В отличие от млекопитающих, дрозофилы обладают врожденным иммунитетом, но не имеют адаптивного иммунного ответа. Однако основные элементы этого врожденного иммунного ответа сохранены как у человека, так и у плодовой мушки. В результате плодовая мушка представляет собой полезную модель врожденного иммунитета для изучения генетических взаимодействий сигнализации и эффекторной функции, поскольку мухам не приходится сталкиваться с вмешательством адаптивных иммунных механизмов, которые могут исказить результаты. Разнообразные генетические инструменты, протоколы и анализы делают дрозофилу классической моделью для изучения врожденной иммунной системы, что включало даже иммунологические исследования на Международной космической станции.

The D. melanogaster immune system can be divided into two responses: humoral and cell mediated. The former is a systemic response mediated in large part through the toll and Imd pathways, which are parallel systems for detecting microbes. Other pathways including the stress response pathways JAK STAT and P38, nutritional signalling via FOXO, and JNK cell death signalling are all involved in key physiological responses to infection. D. melanogaster has an organ called the "fat body", which is analogous to the human liver. The fat body is the primary secretory organ and produces key immune molecules upon infection, such as serine proteases and antimicrobial peptides (AMPs). AMPs are secreted into the hemolymph and bind infectious bacteria and fungi, killing them by forming pores in their cell walls or inhibiting intracellular processes. The cellular immune response instead refers to the direct activity of blood cells (hemocytes) in Drosophila, which are analogous to mammalian monocytes/macrophages. Hemocytes also possess a significant role in mediating humoral immune responses such as the melanization reaction. The immune response to infection can involve up to 2,423 genes, or 13.7% of the genome. Although the fly's transcriptional response to microbial challenge is highly specific to individual pathogens, Drosophila differentially expresses a core group of 252 genes upon infection with most bacteria. This core group of genes is associated with gene ontology categories such as antimicrobial response, stress response, secretion, neuron like, reproduction, and metabolism among others. Drosophila also possesses several immune mechanisms to both shape the microbiota and prevent excessive immune responses upon detection of microbial stimuli. For instance, secreted PGRPs with amidase activity scavenge and degrade immunostimulatory DAP type PGN in order to block Imd activation. Unlike mammals, Drosophila have innate immunity but lack an adaptive immune response. However, the core elements of this innate immune response are conserved between humans and fruit flies. As a result, the fruit fly offers a useful model of innate immunity for disentangling genetic interactions of signalling and effector function, as flies do not have to contend with interference of adaptive immune mechanisms that could confuse results. Various genetic tools, protocols, and assays make Drosophila a classical model for studying the innate immune system, which has even included immune research on the international space station.

Сигнализация JAK-STAT

Множество элементов сигнального пути Drosophila JAK STAT демонстрируют прямую гомологию с генами человеческого пути JAK STAT. Сигнализация JAK STAT индуцируется различными стрессовыми факторами для организма, такими как тепловой стресс, обезвоживание или инфекция. Индукция JAK STAT приводит к продукции ряда белков, участвующих в стрессовом ответе, включая белки, содержащие тиоэстер (TEPs), Turandots и предполагаемый антимикробный пептид Listericin. Механизмы действия многих из этих белков все еще изучаются. Например, TEPs, по-видимому, способствуют фагоцитозу грамположительных бактерий и индукции Toll-пути. Как следствие, мухи, лишенные TEPs, восприимчивы к инфекциям, вызываемым активацией Toll-пути. Мухи, подвергнутые такому воздействию, не способны фагоцитозировать бактерии при заражении и, соответственно, более восприимчивы к инфекции. Эти гемоциты происходят из двух волн гематопоэза: одна происходит на ранней стадии эмбрионального развития, а другая – в процессе развития от личинки до взрослой особи. Однако гемоциты дрозофилы не обновляются в течение жизни взрослой особи, поэтому у мухи имеется конечное количество гемоцитов, которое уменьшается с возрастом. Гемоциты также участвуют в регуляции событий клеточного цикла и апоптоза аномальных тканей (например, раковых клеток) посредством продукции Eiger, молекулы сигнализации, являющейся фактором некроза опухоли, которая стимулирует JNK-сигнализацию и, в конечном итоге, гибель клеток и апоптоз.

Поведенческая генетика и нейробиология

В 1971 году Рон Конопка и Сеймур Бензер опубликовали статью "Часовые мутанты Drosophila melanogaster", в которой описывались первые мутации, влияющие на поведение животного. Дикие мухи демонстрируют ритм активности с частотой около суток (24 часа). Они обнаружили мутантов с более быстрыми и медленными ритмами, а также с нарушенными ритмами – мухи, которые двигаются и отдыхают случайными всплесками. Последующие 30 лет исследований показали, что эти мутации (и другие подобные им) затрагивают группу генов и их продукты, формирующие биохимические или биологические часы. Эти часы присутствуют в широком спектре клеток мухи, но клетки, несущие эти часы и контролирующие активность, – это несколько десятков нейронов в центральном мозге мухи. С тех пор Бензер и другие использовали поведенческие скрининги для выделения генов, участвующих в зрении, обонянии, слухе, обучении/памяти, ухаживании, восприятии боли и других процессах, таких как продолжительность жизни. Продолжая новаторскую работу Альфреда Генри Стюртвента и других, Бензер и его коллеги обнаружили, что самцы различают самцов и самок своего вида и направляют упорное ухаживание преимущественно к самкам благодаря феромону, специфичному для самок, который в основном производится тергитами самки. Первые мутанты, связанные с обучением и памятью (dunce, rutabaga и др.), были выделены Уильямом "Чипом" Куинном в лаборатории Бензера, и впоследствии было показано, что они кодируют компоненты внутриклеточного сигнального пути, включающего циклический АМФ, протеинкиназу А и фактор транскрипции, известный как CREB. Было показано, что эти молекулы также участвуют в синаптической пластичности у Aplysia и млекопитающих. Нобелевская премия по физиологии или медицине за 2017 год была присуждена Джеффри С. Холлу, Майклу Росбашу и Майклу В. Янгу за их работы с использованием плодовых мух в понимании "молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм". Самцы мух издают звуки, ухаживая за самками, используя крылья для генерации звука, и некоторые генетические аспекты полового поведения были охарактеризованы. В частности, ген fruitless имеет несколько различных сплайс-форм, и самцы мух, экспрессирующие женские сплайс-формы, проявляют поведение, характерное для самок, и наоборот. TRP-каналы nompC, nanchung и inactive экспрессируются в нейронах чувствительного к звуку органа Джонстона и участвуют в трансдукции звука. Мутация гена Genderblind, также известного как CG6070, изменяет половое поведение Drosophila, превращая мух в бисексуальных. Мухи используют модифицированную версию фильтров Блума для обнаружения новизны запахов, с дополнительными функциями, включая сходство нового запаха с ранее испытанными образцами и время, прошедшее с момента предыдущего опыта с тем же запахом.

In 1971, Ron Konopka and Seymour Benzer published "Clock mutants of Drosophila melanogaster", a paper describing the first mutations that affected an animal's behavior. Wild type flies show an activity rhythm with a frequency of about a day (24 hours). They found mutants with faster and slower rhythms, as well as broken rhythms—flies that move and rest in random spurts. Work over the following 30 years has shown that these mutations (and others like them) affect a group of genes and their products that form a biochemical or biological clock. This clock is found in a wide range of fly cells, but the clock bearing cells that control activity are several dozen neurons in the fly's central brain. Since then, Benzer and others have used behavioral screens to isolate genes involved in vision, olfaction, audition, learning/memory, courtship, pain, and other processes, such as longevity. Following the pioneering work of Alfred Henry Sturtevant and others, Benzer and colleagues Males distinguish between conspecific males and females and direct persistent courtship preferentially toward females thanks to a female specific sex pheromone which is mostly produced by the female's tergites. The first learning and memory mutants (dunce, rutabaga, etc.) were isolated by William "Chip" Quinn while in Benzer's lab, and were eventually shown to encode components of an intracellular signaling pathway involving cyclic AMP, protein kinase A, and a transcription factor known as CREB. These molecules were shown to be also involved in synaptic plasticity in Aplysia and mammals. The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2017 was awarded to Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young for their works using fruit flies in understanding the "molecular mechanisms controlling the circadian rhythm". Male flies sing to the females during courtship using their wings to generate sound, and some of the genetics of sexual behavior have been characterized. In particular, the fruitless gene has several different splice forms, and male flies expressing female splice forms have female like behavior and vice versa. The TRP channels nompC, nanchung, and inactive are expressed in sound sensitive Johnston's organ neurons and participate in the transduction of sound. Mutating the Genderblind gene, also known as CG6070, alters the sexual behavior of Drosophila, turning the flies bisexual. Flies use a modified version of Bloom filters to detect novelty of odors, with additional features including similarity of novel odor to that of previously experienced examples, and time elapsed since previous experience of the same odor.

Агрессия

Как и у большинства насекомых, агрессивное поведение между самцами мух часто проявляется в присутствии ухаживающего самца и при конкуренции за ресурсы. Такое поведение часто включает поднятие крыльев и ног в сторону соперника и атаку всем телом. Это часто приводит к повреждению крыльев, что снижает их способность к полету и размножению.

Акустическая связь

Чтобы возникла агрессия, самцы мух издают звуки для передачи своих намерений. Исследование 2017 года показало, что песни, способствующие агрессии, содержат импульсы, возникающие через более длительные интервалы. Анализ РНК мутантов мух, демонстрирующих повышенную агрессивность, выявил увеличение активности более чем 50 генов, связанных со слухом (важных для транзиторных рецепторных потенциалов, Ca2+ сигнализации и потенциалов механорецепторов) в нейронах AB, расположенных в органе Джонстона. Примером является cVA – антиафродизиак, феромон, используемый самцами для маркировки самок после спаривания и отпугивания других самцов. Этот феромон, специфичный для самцов, вызывает усиление агрессии между самцами при обнаружении его вкусовой системой другого самца. Это демонстрирует наличие множественных механизмов, стимулирующих агрессию у мух.

Конкуренция за продукты питания

В частности, при соревновании за пищу агрессия проявляется в зависимости от количества доступной пищи и не зависит от каких-либо социальных взаимодействий между самцами. В частности, было установлено, что сахароза стимулирует вкусовые рецепторные нейроны, что необходимо для проявления агрессии. Вследствие снижения агрессии, самцы мух, лишенные сна, оказались в невыгодном положении при спаривании по сравнению с нормально выспавшимися мухами. Мембрана рабдомера содержит около 100 миллионов молекул опсина – светочувствительного белка, поглощающего свет. Другие светочувствительные белки также плотно упакованы в микроворсинки, оставляя мало места для цитоплазмы.

Опсины и спектральная чувствительность

Как и многие другие шестиногие насекомые, дрозофила обычно ходит, используя тройную опору. Это означает, что три ноги одновременно отрываются от земли, в то время как остальные три остаются в фазе опоры. В частности, средняя нога движется синхронно с противоположной передней и задней ногами. Однако наблюдается вариативность вокруг конфигурации тройной опоры, существующая в виде континуума, что означает, что мухи не демонстрируют резких переходов между различными типами походки. При высокой скорости ходьбы конфигурация в основном соответствует тройной опоре (три ноги в фазе опоры), но при более низкой скорости мухи чаще опираются на четыре (четвероногая) или пять (волнообразная) ноги. Эти переходы могут способствовать оптимизации статической устойчивости. Поскольку мухи очень малы, инерционные силы пренебрежимо малы по сравнению с упругими силами их мышц и суставов или вязкими силами окружающего воздуха.

Полет

Мухи летают, совершая прямые последовательности движений, прерываемые быстрыми поворотами, называемыми саккадами. Однако последующие исследования показали, что, несмотря на то, что вязкое воздействие на тело насекомого в полете может быть пренебрежимо малым, аэродинамические силы, действующие на крылья, фактически приводят к вискозному демпфированию поворотов плодовых мух.

Коннектома

Дрозофила – одно из немногих животных (C. elegans – другое), для которых доступны детальные нейронные цепи (коннектомы). Коннектом высокого уровня, описывающий основные отделы мозга и связывающие их тракты нейронов, существует для всего мозга мухи. Его версия доступна онлайн. Детальные коннектомы на уровне цепей существуют для ламины и одного из столбиков медиальной доли, входящих в зрительную систему плодовой мухи, а также для альфа-лобуля грибовидного тельца. В мае 2017 года в статье, опубликованной в bioRxiv, был представлен стек изображений, полученных с помощью электронной микроскопии, всего мозга взрослой самки с синаптическим разрешением. Этот объем данных доступен для выборочного прослеживания отдельных нейронных цепей. С тех пор было собрано множество наборов данных, включая плотный коннектом половины центрального мозга дрозофилы в 2020 году и плотный коннектом всего нервного ствола взрослой самки в 2021 году. Как правило, эти наборы данных получают путем последовательного нарезания ткани (например, мозга) на тонкие срезы (толщиной в десятки или сотни нанометров). Каждый срез затем сканируется с помощью электронного микроскопа, а полученные изображения сшиваются и выравниваются для создания трехмерного изображения. Далее применяются методы реконструкции и первичного анализа таких наборов данных. Благодаря прогрессу в области глубокого обучения, автоматизированные методы сегментации изображений позволили проводить крупномасштабную реконструкцию, обеспечивающую детальную реконструкцию всех нейритов в пределах объема. Более того, разрешение электронной микроскопии позволяет выявлять ультраструктурные различия между нейронами, а также локализовать отдельные синапсы, тем самым создавая карту синаптических связей между всеми нейритами в данном наборе данных. В 2023 году была опубликована полная карта мозга личинки дрозофилы на уровне синапсов и анализ его архитектуры. Мозг личинки состоит из 3016 нейронов и 548 000 синаптических контактов, в то время как мозг взрослой особи содержит около 150 000 нейронов и 150 миллионов синапсов.

Неправильные представления

Дрозофилу иногда называют вредителем из-за её привычки обитать вблизи человеческих поселений, где есть гниющие фрукты. Эти мухи могут скапливаться в домах, ресторанах, магазинах и других подобных местах.