Frugtfluen Drosophila melanogaster blev introduceret som en modelorganisme i genetiske eksperimenter af Thomas Morgan i 1909 og er stadig en af de mest elskede modelorganismer blandt forskere, der studerer dyrs embryonale udvikling. Lille størrelse, hurtig generationsskifte, høj frugtbarhed og gennemsigtighed af embryoner gør Drosophila til et ideelt objekt til genetisk forskning.
Drosophila har en holometabolisk livscyklus - tre separate stadier af postembryonal udvikling, der adskiller sig i kropsstruktur: larve , puppe og voksen . Under embryogenese dannes de strukturer, der er nødvendige for organismens funktion i disse faser og overgangen mellem dem. Som et resultat af embryogenese dannes en fluelarve. Larven indeholder imaginære skiver - grupper af celler, hvorfra de voksne strukturer så dannes. På puppestadiet ødelægges larvens væv, og væv fra den voksne organisme dannes fra de imaginære skiver. Denne udvikling kaldes udvikling med fuldstændig metamorfose .
Drosophila embryogenese er unik blandt andre modelorganismer ved, at dens fragmentering er ufuldstændig . Som et resultat af knusning dannes syncytium . Omkring 5000 kerner akkumuleres i det udelte cytoplasma og migrerer derefter til overfladen af oocytten. Cellularisering sker - dannelsen af individuelle plasmamembraner, mens cellerne, der omgiver blommesækken , isoleres . De polære celler ( primordiale kønsceller ) er de første, der adskilles i den bageste ende af embryonet.
Som med andre trelagede flercellede organismer fører gastrulation til dannelsen af tre kimlag - endoderm , mesoderm og ectoderm .
Mesodermen invaginerer langs den ventrale rille. Mellemtarmen er dannet af ektoderm. Polære celler internaliseres på en anden måde. Den embryonale stribe forlænges, den bageste del, inklusive bagtarmen, strækker sig og udvider sig mod den forreste ende langs den dorsale side af embryoet. I de tidlige stadier af segmentering dannes intersegmentelle riller. På tidspunktet for dannelsen af luftrøret vises de første tegn på respiratorisk aktivitet. Tilbagetrækning af kimstrimlen returnerer bagtarmen til den dorsale side af den bageste ende af embryoet. De resterende stadier omfatter internalisering af nervesystemet (af ektodermal oprindelse) og dannelsen af indre organer.
Et af de bedst undersøgte eksempler på udviklingsmønstre langs den anteroposteriore akse er morfogengradientafhængig anteroposterior kropsaksedannelse i frugtfluen Drosophila melanogaster . Nogle andre flercellede organismer bruger lignende mekanismer til at danne kropsakser, selvom den relative betydning af signalering mellem de primære celler i mange udviklende organismer er højere end i det beskrevne tilfælde.
Grundlaget for dannelsen af den anterior-posteriore akse lægges under dannelsen af ægget ( oogenese ), længe før tidspunktet for befrugtning og oviposition.
Under oocytmodning syntetiserer ammeceller store mængder RNA og proteiner, som overføres til den modnende oocyt via cytoplasmatiske broer. De fleste af disse molekyler er nødvendige i de første to timer af Drosophila embryonal udvikling, før transkription begynder i zygoten . Den udviklende oocyt har mRNA- koncentrationsgradienter . De gener, der koder for sådanne mRNA'er, kaldes gener for modereffekt . Bicoid og pukkelrygg er gener for modereffekt, som er af særlig betydning ved dannelsen af de forreste dele af Drosophila-embryoet (hoved og thorax). Nanos og Caudal er gener for modereffekt, der bestemmer dannelsen af de bageste abdominale segmenter af Drosophila-embryoet.
I ægget omorganiseres mikrotubuli under oogenese . For det første er organiseringscentret for mikrotubuli placeret ved oocyttens bageste pol, og mikrotubulierne er rettet med deres ± ender mod oocyttens forreste pol. Men før dannelsen af mRNA-gradienter af bicoide- og nanos -generne, vender lokaliseringen af organisationscentret og positionen af mikrotubuli: i denne periode er de rettet med deres ±-ender mod æggets bageste pol [1] . mRNA fra det bicoide gen binder til mikrotubuli og akkumuleres i den forreste ende af de udviklende Drosophila-æg. I ubefrugtede æg er transskriptionerne placeret helt i spidsen af æggets forside. Nylige data indikerer, at der umiddelbart efter befrugtning dannes en mRNA-gradient som et resultat af rettet diffusion af mRNA i ægget, tilsyneladende langs det perifere netværk af mikrotubuli med deltagelse af proteinproduktet fra Staufen-genet. [2]
Nanos mRNA er forbundet med æggets cytoskelet, men er placeret i den bageste ende af ægget. Hunchback- og caudal-genernes mRNA'er mister deres positionskontrolsystemer og fordeles næsten jævnt i hele ægvolumenet.
Når mRNA'et fra de maternelle effektgener oversættes til proteiner, er der gradienter af Bicoid-protein ved den forreste pol af ægget og Nanos-protein ved den posteriore pol. Bicoid-proteinet blokerer translation af mRNA'et af det kaudale protein , og derfor produceres proteinproduktet af dette gen kun i den bageste ende af ægget. Nanos-proteinet binder pukkelrygget mRNA og blokerer dets translation i den bageste ende af Drosophila-embryoet.
Proteinerne Bicoid , Hunchback og Caudal er transkriptionsfaktorer . Bicoid har et DNA-bindende homeodomæne , der binder nanos DNA og mRNA . Bicoid binder til en specifik sekvens på den 3' utranslaterede region af det caudale mRNA og blokerer translation.
Niveauet af Hunchback-protein i det tidlige embryo stiger betydeligt på grund af translationen af mRNA, som allerede er dannet af zygoten. Under den tidlige embryogenese af Drosophila sker nuklear deling uden deling af cytoplasmaet. Mange af de resulterende kerner divergerer til periferien af cytoplasmaet. Genekspression i disse kerner reguleres af Bicoid-, Hunchback- og Caudal-proteinerne. For eksempel er Bicoid en transkriptionel aktivator af pukkelryggenet .
Brugen af site-directed mutagenese gør det muligt at ændre genernes funktioner og følge ændringer i embryogenese . Der er måder at mærke Drosophila-proteiner med fluorescerende proteiner, for eksempel ( GFP ). Det er således muligt at overvåge dynamikken i fordelingen af proteinproduktet i cellen. Drosophila -genomet er blevet fuldstændigt sekventeret . Forskere kan finde ortologer af gener af interesse i Drosophila-genomet og studere deres bidrag til embryogenese.