Musca de fructe Drosophila melanogaster a fost introdusă ca organism model în experimentele genetice de Thomas Morgan în 1909 și este încă unul dintre cele mai iubite organisme model printre cercetătorii care studiază dezvoltarea embrionară a animalelor. Dimensiunea mică, schimbarea generațională rapidă, fecunditatea ridicată și transparența embrionilor fac din Drosophila un obiect ideal pentru cercetarea genetică.
Drosophila are un ciclu de viață holometabolic - trei etape separate de dezvoltare postembrionară, care diferă în structura corpului: larvă , pupă și adult . In timpul embriogenezei se formeaza structurile necesare functionarii organismului in timpul acestor faze si trecerea intre ele. Ca rezultat al embriogenezei, se formează o larvă de muște. Larva conține discuri imaginare - grupuri de celule, din care apoi se formează structurile adulte. În stadiul de pupă, țesuturile larvei sunt distruse, iar țesuturile organismului adult sunt formate din discurile imaginare. Această dezvoltare se numește dezvoltare cu metamorfoză completă .
Embriogeneza Drosophila este unică printre alte organisme model prin faptul că fragmentarea sa este incompletă . Ca urmare a strivirii, se formează sincitiul . Aproximativ 5000 de nuclei se acumulează în citoplasma nedivizată și apoi migrează la suprafața ovocitului. Are loc celularizarea - formarea membranelor plasmatice individuale, în timp ce celulele din jurul sacului vitelin sunt izolate . Celulele polare (celulele germinale primordiale ) sunt primele care se separă la capătul posterior al embrionului.
Ca și în cazul altor organisme multicelulare cu trei straturi , gastrulația duce la formarea a trei straturi germinale - endoderm , mezoderm și ectoderm .
Mezodermul se invaginează de-a lungul șanțului ventral. Intestinul mediu este format din ectoderm. Celulele polare sunt interiorizate într-un mod diferit. Dâra embrionară se prelungește, partea posterioară, inclusiv intestinul posterior, se întinde și se extinde spre capătul anterior de-a lungul părții dorsale a embrionului. În primele etape ale segmentării , se formează șanțuri intersegmentare. În momentul formării traheei apar primele semne de activitate respiratorie. Retragerea benzii germinale readuce intestinul posterior în partea dorsală a capătului posterior al embrionului. Stadiile rămase includ interiorizarea sistemului nervos (de origine ectodermică) și formarea organelor interne.
Unul dintre cele mai bine studiate exemple de modelare de dezvoltare de-a lungul axei anteroposterioare este formarea axei corpului anteroposterior dependentă de gradientul morfogen la musca de fructe Drosophila melanogaster . Unele alte organisme multicelulare folosesc mecanisme similare pentru formarea axelor corpului, deși importanța relativă a semnalizării între celulele primare ale multor organisme în curs de dezvoltare este mai mare decât în cazul descris.
Baza formării axei anterioare-posterioare este pusă în timpul formării oului ( oogeneză ), cu mult înainte de momentul fertilizării și ovipoziției.
În timpul maturării ovocitelor , celulele care alăptează sintetizează cantități mari de ARN și proteine, care sunt transferate la ovocitul în curs de maturizare prin punți citoplasmatice. Cele mai multe dintre aceste molecule sunt necesare în primele două ore ale dezvoltării embrionare a Drosophila, înainte ca transcripția să înceapă în zigot . Ovocitul în curs de dezvoltare are gradienți de concentrație ARNm . Genele care codifică astfel de ARNm sunt numite gene cu efect matern . Bicoid și cocoșul sunt gene cu efect matern care au o importanță deosebită în formarea părților anterioare ale embrionului de Drosophila (cap și torace). Nanos și Caudal sunt gene cu efect matern care determină formarea segmentelor abdominale posterioare ale embrionului de Drosophila.
În ou, microtubulii sunt reorganizați în timpul oogenezei . În primul rând , centrul de organizare a microtubulilor este situat la polul posterior al ovocitului, iar microtubulii sunt direcționați cu capetele lor ± către polul anterior al ovocitului. Cu toate acestea, înainte de formarea gradienților de ARNm ai genelor bicoid și nanos , localizarea centrului de organizare și poziția microtubulilor se inversează: în această perioadă, ei sunt direcționați cu capetele lor ± către polul posterior al oului [1] . ARNm al genei bicoid se leagă de microtubuli și se acumulează la capătul anterior al ouălor de Drosophila în curs de dezvoltare. În ouăle nefertilizate, transcrierile sunt situate chiar în vârful din față a oului. Date recente indică faptul că imediat după fertilizare, se formează un gradient de ARNm ca urmare a difuzării direcționate a ARNm în ou, aparent de-a lungul rețelei periferice de microtubuli cu participarea produsului proteic al genei Staufen. [2]
ARNm nanos este asociat cu citoscheletul oului, dar este situat la capătul posterior al oului. ARNm-urile genelor Hunchback și caudale își pierd sistemele de control al poziției și sunt distribuite aproape uniform în volumul de ou.
Când ARNm al genelor cu efect matern este tradus în proteine, există gradienți de proteină Bicoid la polul anterior al oului și proteina Nanos la polul posterior. Proteina Bicoid blochează translația ARNm al proteinei caudale și, prin urmare, produsul proteic al acestei gene este produs numai la capătul posterior al oului. Proteina Nanos leagă mARN- ul cocoșat și blochează traducerea acestuia la capătul posterior al embrionului de Drosophila.
Proteinele Bicoid , Hunchback și Caudal sunt factori de transcripție . Bicoid are un homeodomeniu de legare a ADN-ului care leagă nanos ADN și ARNm . Bicoid se leagă la o secvență specifică din regiunea 3’ netradusă a ARNm caudal și blochează translația.
Nivelul proteinei Hunchback în embrionul timpuriu crește semnificativ datorită translației ARNm, care este deja format de zigot. În timpul embriogenezei timpurii a Drosophila, diviziunea nucleară are loc fără diviziunea citoplasmei. Mulți dintre nucleele rezultate diverg către periferia citoplasmei. Expresia genelor în aceste nuclee este reglată de proteinele Bicoid, Hunchback și Caudal. De exemplu, Bicoid este un activator transcripțional al genei cocoșatului .
Utilizarea mutagenezei direcționate face posibilă modificarea funcțiilor genelor și urmărirea modificărilor embriogenezei . Există modalități de a eticheta proteinele Drosophila cu proteine fluorescente, de exemplu ( GFP ). Astfel, este posibil să se monitorizeze dinamica distribuției produsului proteic în celulă. Genomul Drosophila a fost complet secvențiat . Cercetătorii pot găsi ortologi ale genelor de interes în genomul Drosophila și pot studia contribuția acestora la embriogeneză.