Drosophila melanogaster -Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster
Drosophila melanogaster Proboscis.jpg
clasificación cientifica
Reino:
Animalia
Filo:
Artrópodos
Clase:
Insecta
Pedido:
Dípteros
Familia:
Drosophilidae
Género:
Drosophila
Subgénero:
Sophophora
Grupo de especies :
Grupo Drosophila melanogaster
Subgrupo de especies :
Subgrupo de Drosophila melanogaster
Complejo de especies :
Complejo de Drosophila melanogaster
Especies:
D. melanogaster
Nombre binomial
Drosophila melanogaster
Meigen , 1830

Drosophila melanogaster es una especie de mosca (orden taxonómico Diptera) de la familia Drosophilidae . La especie a menudo se conoce como mosca de la fruta o mosca de la fruta menor , sin embargo, su nombre común es más exactamente la mosca del vinagre . [1] Comenzando conla propuesta de Charles W. Woodworth del uso de esta especie como organismo modelo , D. melanogaster continúa siendo ampliamente utilizado para la investigación biológica en genética , fisiología , patogénesis microbianay evolución de la historia de vida . A partir de 2017,se han otorgadocinco premios Nobel a los drosofilistas por su trabajo con el animal.

D. melanogaster se usa típicamente en investigación debido a su ciclo de vida rápido, genética relativamente simple con solo cuatro pares de cromosomas y gran número de descendientes por generación. Originalmente era una especie africana, y todos los linajes no africanos tenían un origen común. Su rango geográfico incluye todos los continentes, incluidas las islas. D. melanogaster es una plaga común en hogares, restaurantes y otros lugares donde se sirven alimentos.

Las moscas pertenecientes a la familia Tephritidae también se denominan "moscas de la fruta". Esto puede causar confusión, especialmente en el Mediterráneo, Australia y Sudáfrica , donde la mosca mediterránea de la fruta Ceratitis capitata es una plaga económica.

Apariencia física

Hembra (izquierda) y macho (derecha) D. melanogaster
Vista desde arriba
Vista frontal

Las moscas de la fruta de tipo salvaje son de color marrón amarillento, con ojos rojo ladrillo y anillos negros transversales en el abdomen. El color rojo ladrillo de los ojos de la mosca salvaje se debe a dos pigmentos: la xantommatina, que es marrón y se deriva del triptófano , y las drosopterinas, que son rojas y se derivan del trifosfato de guanosina . Presentan dimorfismo sexual ; las hembras miden aproximadamente 2,5 mm (0,10 pulgadas) de largo; los machos son un poco más pequeños con espaldas más oscuras. Los machos se distinguen fácilmente de las hembras en función de las diferencias de color, con un parche negro distintivo en el abdomen, menos notable en las moscas recién emergidas, y los sexcombs (una fila de cerdas oscuras en el tarso de la primera pata). Además, los machos tienen un grupo de pelos puntiagudos (broches) que rodean las partes reproductoras que se utilizan para adherirse a la hembra durante el apareamiento. En FlyBase se encuentran numerosas imágenes . Las moscas Drosophila melanogaster pueden sentir las corrientes de aire con los pelos de la espalda. Sus ojos son sensibles a ligeras diferencias en la intensidad de la luz e instintivamente se alejarán volando cuando se detecte una sombra u otro movimiento.

Ciclo de vida y reproducción

Huevo de D. melanogaster

En condiciones óptimas de crecimiento a 25 ° C (77 ° F), la vida útil de D. melanogaster es de aproximadamente 50 días desde el huevo hasta la muerte. El período de desarrollo de D. melanogaster varía con la temperatura, como ocurre con muchas especies ectotérmicas . El tiempo de desarrollo más corto (huevo a adulto), 7 días, se logra a 28 ° C (82 ° F). Los tiempos de desarrollo disminuyen a temperaturas más altas (11 días a 30 ° C o 86 ° F) debido al estrés por calor. En condiciones ideales, el tiempo de revelado a 25 ° C (77 ° F) es de 8,5 días, a 18 ° C (64 ° F) tarda 19 días y a 12 ° C (54 ° F) tarda más de 50 días. En condiciones de hacinamiento, el tiempo de desarrollo aumenta, mientras que las moscas emergentes son más pequeñas. Las hembras ponen unos 400 huevos (embriones), cinco a la vez, en frutas en descomposición u otro material adecuado, como hongos en descomposición y flujos de savia . Drosophila melanogaster es un insecto holometábolos, por lo que sufre una metamorfosis completa. Su ciclo de vida se divide en 4 etapas: embrión, larva, pupa, adulto. Los huevos, que miden aproximadamente 0,5 mm de largo, eclosionan después de 12 a 15 horas (a 25 ° C o 77 ° F). Las larvas resultantes crecen durante aproximadamente 4 días (a 25 ° C) mientras mudan dos veces (en larvas de segundo y tercer estadio), aproximadamente a las 24 y 48 h después de la eclosión. Durante este tiempo, se alimentan de los microorganismos que descomponen la fruta, así como del azúcar de la propia fruta. La madre pone heces en los sacos de huevos para establecer la misma composición microbiana en el intestino de las larvas que ha funcionado positivamente para ella. Luego, las larvas se encapsulan en el pupario y sufren una metamorfosis de 4 días (a 25 ° C), después de lo cual los adultos eclipsan (emergen).

Sonido de los latidos del corazón de Drosophila

Los machos realizan una secuencia de cinco patrones de comportamiento para cortejar a las hembras. Primero, los machos se orientan mientras tocan una canción de cortejo extendiendo horizontalmente y haciendo vibrar sus alas. Poco después, el macho se coloca en la parte posterior del abdomen de la hembra en una postura baja para tocar y lamer los genitales femeninos. Finalmente, el macho dobla su abdomen e intenta la cópula. Las hembras pueden rechazar a los machos alejándose, pateando y extruyendo su ovipositor. La cópula dura alrededor de 15 a 20 minutos, durante los cuales los machos transfieren unos cientos de espermatozoides muy largos (1,76 mm) en el líquido seminal a la hembra. Las hembras almacenan los espermatozoides en un receptáculo tubular y en dos espermatecas en forma de hongo ; los espermatozoides de múltiples apareamientos compiten por la fertilización. Se cree que existe una última precedencia masculina; el último macho en aparearse con una hembra engendra alrededor del 80% de su descendencia. Se encontró que esta precedencia ocurre tanto por el desplazamiento como por la incapacitación. El desplazamiento se atribuye al manejo de los espermatozoides por parte de la mosca hembra a medida que se realizan múltiples apareamientos y es más significativo durante los primeros 1-2 días después de la cópula. El desplazamiento del receptáculo seminal es más significativo que el desplazamiento de las espermatecas. La incapacitación del primer espermatozoide masculino por el segundo espermatozoide masculino se vuelve significativa 2-7 días después de la cópula. Se cree que el líquido seminal del segundo macho es responsable de este mecanismo de incapacitación (sin la eliminación del primer espermatozoide masculino) que tiene efecto antes de que se produzca la fecundación . Se cree que el retraso en la eficacia del mecanismo de incapacitación es un mecanismo de protección que evita que una mosca macho incapacite a su propio esperma en caso de aparearse con la misma mosca hembra repetidamente. Las neuronas sensoriales en el útero de la hembra de D. melanogaster responden a una proteína masculina, el péptido sexual , que se encuentra en el semen. Esta proteína hace que la hembra sea reacia a copular durante unos 10 días después de la inseminación . Se ha determinado la ruta de la señal que conduce a este cambio de comportamiento. La señal se envía a una región del cerebro que es un homólogo del hipotálamo y luego el hipotálamo controla el comportamiento y el deseo sexuales. Las hormonas gonadotrópicas en Drosophila mantienen la homeostasis y gobiernan la producción reproductiva a través de una interrelación cíclica, similar al ciclo estral de los mamíferos . El péptido sexual perturba esta homeostasis y cambia drásticamente el estado endocrino de la hembra al incitar la síntesis de hormonas juveniles en el cuerpo allatum.

D. melanogaster se usa a menudo para estudios de extensión de la vida , como para identificar genes que supuestamente aumentan la vida útil cuando mutan . D. melanogaster también se utiliza en estudios de envejecimiento . El síndrome de Werner es una afección en humanos caracterizada por un envejecimiento acelerado. Es causada por mutaciones en el gen WRN que codifica una proteína con funciones esenciales en la reparación del daño del ADN. Las mutaciones en el homólogo de D. melanogaster de WRN también provocan un aumento de los signos fisiológicos del envejecimiento, como una vida útil más corta, una mayor incidencia de tumores, degeneración muscular, una capacidad de escalada reducida, un comportamiento alterado y una actividad locomotora reducida.

Hembras

Apareamiento en cautiverio.

Las hembras se vuelven receptivas a cortejar a los machos entre 8 y 12 horas después de la emergencia. Se ha descubierto que grupos de neuronas específicos en las hembras afectan el comportamiento de copulación y la elección de pareja. Uno de esos grupos en el cordón nervioso abdominal permite que la mosca hembra pause sus movimientos corporales para copular. La activación de estas neuronas induce a la hembra a dejar de moverse y orientarse hacia el macho para permitir el montaje. Si el grupo está inactivo, la hembra permanece en movimiento y no copula. Varias señales químicas, como las feromonas masculinas, a menudo pueden activar el grupo.

Además, las hembras exhiben una copia de la elección de pareja . Cuando a las hembras vírgenes se les muestra a otras hembras copulando con un cierto tipo de macho, tienden a copular más con este tipo de macho posteriormente que a las hembras ingenuas (que no han observado la cópula de otros). Este comportamiento es sensible a las condiciones ambientales y las hembras copulan menos en condiciones climáticas adversas.

Machos

Comportamiento de cortejo en el macho: el macho primero mostró extensión del ala (etapa 1), y luego otros pasos como flexión del abdomen (etapa 2), luego intentos frecuentes de copulación, lamido e incluso eyaculación (etapa 3), finalmente el macho se cayó y fue en su espalda (etapa 4)

Los machos de D. melanogaster exhiben una fuerte curva de aprendizaje reproductivo. Es decir, con la experiencia sexual, estas moscas tienden a modificar su comportamiento de apareamiento futuro de múltiples formas. Estos cambios incluyen una mayor selectividad para cortejar solo de manera intraespecífica, así como una disminución de los tiempos de cortejo .

Se sabe que los machos de D. melanogaster sexualmente ingenuos pasan mucho tiempo cortejando interespecíficamente, como con las moscas D. simulans . La ingenua D. melanogaster también intentará cortejar a las hembras que aún no han alcanzado la madurez sexual y a otros machos. Los machos de D. melanogaster muestran poca o ninguna preferencia por las hembras de D. melanogaster sobre las hembras de otras especies o incluso otras moscas macho. Sin embargo, después de que D. simulans u otras moscas incapaces de copular han rechazado los avances de los machos, es mucho menos probable que los machos de D. melanogaster pasen tiempo cortejando de forma inespecífica en el futuro. Esta aparente modificación de la conducta aprendida parece ser evolutivamente significativa, ya que permite a los machos evitar invertir energía en encuentros sexuales inútiles.

Además, los machos con experiencia sexual previa modifican su baile de cortejo cuando intentan aparearse con nuevas hembras; los machos experimentados pasan menos tiempo cortejando, por lo que tienen latencias de apareamiento más bajas, lo que significa que pueden reproducirse más rápidamente. Esta menor latencia de apareamiento conduce a una mayor eficiencia de apareamiento para los machos experimentados que para los machos ingenuos. Esta modificación también parece tener ventajas evolutivas obvias, ya que una mayor eficiencia de apareamiento es extremadamente importante a los ojos de la selección natural .

Poligamia

Tanto las moscas D. melanogaster machos como las hembras actúan de forma polígama (teniendo múltiples parejas sexuales al mismo tiempo). Tanto en machos como en hembras, la poligamia da como resultado una disminución de la actividad nocturna en comparación con las moscas vírgenes, más en machos que en hembras. La actividad nocturna consiste en aquellas en las que las moscas participan además del apareamiento y la búsqueda de parejas, como la búsqueda de comida. El éxito reproductivo de machos y hembras varía, porque una hembra solo necesita aparearse una vez para alcanzar la máxima fertilidad. El apareamiento con múltiples parejas no proporciona ninguna ventaja sobre el apareamiento con una sola pareja, por lo que las hembras no muestran diferencias en la actividad nocturna entre individuos polígamos y monógamos. Para los machos, sin embargo, el apareamiento con múltiples parejas aumenta su éxito reproductivo al aumentar la diversidad genética de su descendencia. Este beneficio de la diversidad genética es una ventaja evolutiva porque aumenta la posibilidad de que algunos de los descendientes tengan rasgos que aumenten su aptitud en su entorno.

La diferencia en la actividad nocturna entre las moscas macho polígamas y monógamas se puede explicar con el cortejo. Para las moscas polígamas, su éxito reproductivo aumenta al tener descendencia con múltiples parejas y, por lo tanto, gastan más tiempo y energía en cortejar a varias hembras. Por otro lado, las moscas monógamas solo cortejan a una hembra y gastan menos energía al hacerlo. Si bien requiere más energía para que los machos cortejen a varias hembras, los beneficios reproductivos generales que produce han mantenido a la poligamia como la opción sexual preferida.

El mecanismo que afecta el comportamiento de cortejo en Drosophila está controlado por las neuronas osciladoras DN1 y LND. Se descubrió que la oscilación de las neuronas DN1 se ve afectada por interacciones sociosexuales y está relacionada con la disminución de la actividad nocturna relacionada con el apareamiento.

Organismo modelo en genética

D. melanogaster sigue siendo uno de los organismos más estudiados en la investigación biológica, particularmente en genética y biología del desarrollo. También se emplea en estudios de mutagénesis ambiental.

Historia de uso en análisis genético

Alfred Sturtevant 's Drosophila melanogaster ligamiento genético mapa: Este fue el primer éxito de cartografía genética trabajo y proporciona una evidencia importante para la teoría cromosómica de la herencia . El mapa muestra las posiciones relativas de las características alélicas en el segundo cromosoma de Drosophila . La distancia entre los genes (unidades de mapa) es igual al porcentaje de eventos de cruzamiento que ocurren entre diferentes alelos.

D. melanogaster fue uno de los primeros organismos utilizados para el análisis genético y, en la actualidad, es uno de los organismos eucariotas más utilizados y más conocidos genéticamente. Todos los organismos utilizan sistemas genéticos comunes; por lo tanto, comprender procesos como la transcripción y la replicación en las moscas de la fruta ayuda a comprender estos procesos en otros eucariotas, incluidos los humanos .

Thomas Hunt Morgan comenzó a utilizar moscas de la fruta en estudios experimentales de herencia en la Universidad de Columbia en 1910 en un laboratorio conocido como Fly Room. El Fly Room estaba abarrotado con ocho escritorios, cada uno ocupado por estudiantes y sus experimentos. Comenzaron experimentos usando botellas de leche para criar moscas de la fruta y lentes de mano para observar sus rasgos. Posteriormente, las lentes fueron reemplazadas por microscopios, que mejoraron sus observaciones. Morgan y sus estudiantes finalmente dilucidaron muchos principios básicos de la herencia, incluida la herencia ligada al sexo, la epistasis , los alelos múltiples y el mapeo de genes .

D. melanogaster se ha utilizado históricamente en laboratorios para estudiar la genética y los patrones de herencia. Sin embargo, D. melanogaster también tiene importancia en la investigación de mutagénesis ambiental, lo que permite a los investigadores estudiar los efectos de mutágenos ambientales específicos.

Razones para su uso en laboratorios

D. melanogaster múltiples mutantes (en el sentido de las agujas del reloj desde arriba): ojos marrones y cutícula negra (2 mutaciones), ojos cinabrios y cutícula de tipo salvaje (1 mutación), ojos sepia y cutícula de ébano, ojos bermellón y cutícula amarilla, ojos blancos y cutícula amarilla, tipo salvaje ojos y cutícula amarilla.

Hay muchas razones por las que la mosca de la fruta es una opción popular como organismo modelo:

  • Su cuidado y cultivo requieren poco equipo, espacio y gastos incluso cuando se utilizan cultivos grandes.
  • Se puede anestesiar de forma segura y sencilla (normalmente con éter , gas de dióxido de carbono , mediante enfriamiento o con productos como FlyNap ).
  • Su morfología es fácil de identificar una vez anestesiado.
  • Tiene un tiempo de generación corto (unos 10 días a temperatura ambiente), por lo que se pueden estudiar varias generaciones en unas pocas semanas.
  • Tiene una alta fecundidad (las hembras ponen hasta 100 huevos por día, y quizás 2000 en la vida).
  • Los machos y las hembras se distinguen fácilmente y las hembras vírgenes se aíslan fácilmente, lo que facilita el cruce genético.
  • La larva madura tiene cromosomas gigantes en las glándulas salivales llamados cromosomas politénicos , "bocanadas", que indican regiones de transcripción, por lo tanto, actividad genética. La replicación insuficiente del ADNr se produce, lo que da como resultado solo el 20% del ADN en comparación con el cerebro. Compare con el 47%, menos rDNA en los ovarios de Sarcophaga barbata .
  • Tiene solo cuatro pares de cromosomas : tres autosomas y un par de cromosomas sexuales .
  • Los machos no muestran recombinación meiótica , lo que facilita los estudios genéticos.
  • Se pueden usar " cromosomas equilibradores " letales recesivos que llevan marcadores genéticos visibles para mantener reservas de alelos letales en un estado heterocigótico sin recombinación debido a múltiples inversiones en el equilibrador.
  • El desarrollo de este organismo, desde el óvulo fertilizado hasta el adulto maduro, es bien conocido.
  • Las técnicas de transformación genética están disponibles desde 1987.
  • Su genoma completo fue secuenciado y publicado por primera vez en 2000.
  • Los mosaicos sexuales se pueden producir fácilmente, proporcionando una herramienta adicional para estudiar el desarrollo y el comportamiento de estas moscas.

Marcadores genéticos

Ver también: pigmentación abdominal en Drosophila melanogaster
D. Melanogaster que porta el alelo Cy (derecha), por lo que muestra un fenotipo característico de alas rizadas en moscas adultas.

Los marcadores genéticos se utilizan comúnmente en la investigación de Drosophila , por ejemplo, dentro de cromosomas equilibradores o insertos de elementos P, y la mayoría de los fenotipos son fácilmente identificables a simple vista o bajo un microscopio. En la lista de algunos marcadores comunes a continuación, el símbolo del alelo va seguido del nombre del gen afectado y una descripción de su fenotipo. (Nota: los alelos recesivos están en minúsculas, mientras que los alelos dominantes están en mayúscula).

  • Cy 1 : rizado; las alas se curvan alejándose del cuerpo, el vuelo puede verse algo afectado
  • e 1 : ébano; cuerpo y alas negros (los heterocigotos también son visiblemente más oscuros que los de tipo salvaje)
  • Sb 1 : rastrojo; las cerdas son más cortas y más gruesas que las de tipo salvaje
  • w 1 : blanco ; los ojos carecen de pigmentación y se ven blancos
  • bw: marrón; color de ojos determinado por varios pigmentos combinados.
  • y 1 : amarillo; La pigmentación corporal y las alas aparecen amarillas, el análogo de mosca del albinismo.

Mutaciones genéticas clásicas

Los genes de Drosophila reciben tradicionalmente el nombre del fenotipo que causan cuando mutan. Por ejemplo, la ausencia de un gen particular en Drosophila resultará en un embrión mutante que no desarrolla un corazón. Así, los científicos han llamado a este gen tinman , llamado así por el personaje Oz del mismo nombre . Asimismo, los cambios en el gen Shavenbaby provocan la pérdida de pelos cuticulares dorsales en larvas de Drosophila sechellia . Este sistema de nomenclatura da como resultado una gama más amplia de nombres de genes que en otros organismos.

  • Adh : Alcohol deshidrogenasa: Drosophila melanogaster puede expresar la mutación de alcohol deshidrogenasa ( ADH ), evitando así la descomposición de niveles tóxicos de alcoholes en aldehídos y cetonas. Si bien el etanol producido por la fruta en descomposición es una fuente de alimento natural y un lugar para la oviposición de Drosophila en concentraciones bajas (<4%), las concentraciones altas de etanol pueden inducir estrés oxidativo e intoxicación por alcohol . La aptitud de Drosophila aumenta al consumir la baja concentración de etanol. La exposición inicial al etanol provoca hiperactividad, seguida de falta de coordinación y sedación. Investigaciones posteriores han demostrado que el antioxidante alfa-cetoglutarato puede ser beneficioso para reducir el estrés oxidativo producido por el consumo de alcohol. Un estudio de 2016 concluyó que la suplementación con alimentos con alfa-cetoglutarato 10 mM disminuyó la sensibilidad al alcohol de Drosophila con el tiempo. Para el gen que codifica la ADH, existen 194 alelos clásicos y de inserción conocidos. Dos alelos que se usan comúnmente para la experimentación que involucra la toxicidad y la respuesta del etanol son ADH s (lento) y ADH F (rápido). Numerosos experimentos han concluido que los dos alelos explican las diferencias en la actividad enzimática de cada uno. Al comparar los homocigotos Adh-F (tipo salvaje) y los Adh-null (homocigotos nulos), la investigación ha demostrado que los Adh-null tienen un nivel más bajo de tolerancia al etanol, iniciando el proceso de intoxicación antes que su contraparte. Otros experimentos también han concluido que el alelo Adh es haplosuficiente. La haplosuficiencia establece que tener un alelo funcional será adecuado para producir los fenotipos necesarios para la supervivencia. Lo que significa que las moscas que eran heterocigotas para el alelo Adh (una copia del alelo nulo Adh y una copia del alelo Adh de tipo salvaje) dieron una tolerancia fenotípica al alcohol muy similar a la de las moscas homocigotas dominantes (dos copias del alelo Adh de tipo salvaje). Independientemente del genotipo, Drosophila muestra una respuesta negativa a la exposición a muestras con un contenido de etanol superior al 5%, lo que hace que cualquier tolerancia sea inadecuada, resultando en una dosis letal y una tasa de mortalidad de alrededor del 70%. Drosophila muestra muchas de las mismas respuestas al etanol que los humanos. Las dosis bajas de etanol producen hiperactividad, incoordinación en dosis moderadas y sedación en dosis altas ”. .
  • b: black - La mutación negra fue descubierta en 1910 por Thomas Hunt Morgan . La mutación negra da como resultado un cuerpo, alas, venas y segmentos de la pata de la mosca de la fruta de color más oscuro. Esto ocurre debido a la incapacidad de la mosca para crear beta-alanina , un beta aminoácido. La expresión fenotípica de esta mutación varía según el genotipo del individuo; por ejemplo, si la muestra es homocigótica o heterocigótica da como resultado una apariencia más oscura o menos oscura. Esta mutación genética es recesivo ligado al X .
  • bw: brown - La mutación del ojo marrón es el resultado de la incapacidad de producir o sintetizar pigmentos de pteridina (rojos), debido a una mutación puntual en el cromosoma II. Cuando la mutación es homocigótica, los pigmentos de pteridina no pueden sintetizarse porque al comienzo de la ruta de la pteridina, una enzima defectuosa está siendo codificada por genes recesivos homocigotos. En total, las mutaciones en la vía de la pteridina producen un color de ojos más oscuro, de ahí que el color resultante del defecto bioquímico en la vía de la pteridina sea marrón.
  • m: miniatura - Uno de los primeros registros de la mutación en miniatura de las alas también fue realizado por Thomas Hunt Morgan en 1911. Describió que las alas tenían una forma similar a la del fenotipo de tipo salvaje. Sin embargo, su designación en miniatura se refiere a la longitud de sus alas, que no se extienden más allá de su cuerpo y, por lo tanto, son notablemente más cortas que la longitud del tipo salvaje. También señaló que su herencia está relacionada con el sexo de la mosca y podría combinarse con la herencia de otros rasgos determinados por el sexo, como los ojos blancos . Las alas también pueden mostrar otras características que se desvían del ala de tipo salvaje, como un color más opaco y nublado. Las alas en miniatura son 1,5 veces más cortas que las de tipo salvaje, pero se cree que tienen la misma cantidad de células. Esto se debe a la falta de aplanamiento completo de estas células, lo que hace que la estructura general del ala parezca más corta en comparación. La vía de expansión del ala está regulada por una vía de receptor de señal, donde el bursicon neurohormonal interactúa con su receptor complementario acoplado a proteína G; este receptor impulsa una de las subunidades de la proteína G para señalar una mayor actividad enzimática y da como resultado el desarrollo en el ala, como la apoptosis y el crecimiento.
  • se: sepia : el color de ojos sepia es marrón. Los ommocromos (marrón) y las drosopterinas (rojo) son responsables del color de ojos típico de Drosophila melanogaster . Estas mutaciones ocurren en el tercer cromosoma. Es debido a la incapacidad de la sepia para fabricar una enzima pteridina que es responsable de la pigmentación roja, que no pueden mostrar la coloración roja de los ojos y, en cambio, tienen la coloración marrón como se mencionó anteriormente. Cuando se aparean con un tipo salvaje, las moscas con ojos rojos serán dominantes sobre los ojos de color sepia. Luego se clasifican como una mutación recesiva y solo pueden aparecer cuando ambos cromosomas contienen el gen de los ojos sepia. Los ojos de color sepia no dependen del sexo de la mosca. El color de ojos sepia disminuye la actividad sexual en los hombres e influye en la preferencia de las mujeres ".
  • v: bermellón : el color de ojos bermellón en comparación con un D. melanogaster de tipo salvaje es un rojo radiante. El mutante del color de ojos bermellón es un gen recesivo ligado al sexo debido a su ausencia de pigmento ocular marrón. El pigmento rojo se encuentra en el cromosoma X. La síntesis del pigmento marrón se debe al proceso de conversión del triptófano en quinurenina, las moscas bermellón carecen de la capacidad de convertir estos aminoácidos bloqueando la producción del pigmento marrón. La reducción en la cantidad de triptófano convertido en quinurenina en mutantes bermellón se ha asociado con una mayor esperanza de vida en comparación con las moscas de tipo salvaje.
Mosca de la fruta macho triple mutante ( Drosophila melanogaster) que exhibe mutaciones de cuerpo negro, alas vestigiales y ojos marrones.
  • vg: vestigial - Una mutación espontánea, descubierta en 1919 por Thomas Morgan y Calvin Bridges. Las alas vestigiales son aquellas que no están completamente desarrolladas y que han perdido su función. Desde el descubrimiento del gen vestigial en Drosophila melanogaster , ha habido muchos descubrimientos del gen vestigial en otros vertebrados y sus funciones dentro de los vertebrados. El gen vestigial se considera uno de los genes más importantes para la formación de alas, pero cuando se sobreexpresa, comienzan a formarse alas ectópicas. El gen vestigial actúa para regular la expresión de los discos imaginales del ala en el embrión y actúa con otros genes para regular el desarrollo de las alas. Un alelo vestigial mutado elimina una secuencia esencial del ADN necesaria para el correcto desarrollo de las alas.
  • w: blanco - El tipo salvaje de Drosophila melanogaster típicamente expresa un color de ojos rojo ladrillo. La mutación del ojo blanco en las moscas de la fruta se debe a la ausencia de dos pigmentos asociados con los colores de ojos rojos y marrones; peridinas (rojo) y ommocromos (marrón). En enero de 1910, Thomas Hunt Morgan descubrió por primera vez el gen blanco y lo denotó como w . El descubrimiento de la mutación del ojo blanco por Morgan provocó los inicios de la experimentación genética y el análisis de Drosophila melanogaster. Hunt finalmente descubrió que el gen seguía un patrón de herencia similar relacionado con la segregación meiótica del cromosoma X. Descubrió que el gen estaba ubicado en el cromosoma X con esta información. Esto condujo al descubrimiento de genes ligados al sexo y también al descubrimiento de otras mutaciones en Drosophila melanogaster. La mutación del ojo blanco conduce a varias desventajas en las moscas, como una capacidad reducida para trepar, una vida útil más corta y una menor resistencia al estrés en comparación con las moscas de tipo salvaje. Drosophila melanogaster tiene una serie de comportamientos de apareamiento que les permiten copular en un entorno determinado y, por tanto, contribuyen a su aptitud. Después del descubrimiento de Morgan de que la mutación del ojo blanco está ligada al sexo, un estudio dirigido por Sturtevant (1915) concluyó que los machos de ojos blancos tenían menos éxito que los machos de tipo salvaje en términos de apareamiento con hembras. Se encontró que cuanto mayor es la densidad en la pigmentación del ojo, mayor es el éxito en el apareamiento de los machos de Dr osophila melanogaster.
  • y: amarillo : el gen amarillo es una mutación genética conocida como Dmel \ y dentro de la base de datos ampliamente utilizada llamada FlyBase . Esta mutación se puede identificar fácilmente por el pigmento amarillo atípico que se observa en la cutícula de las moscas adultas y en las piezas bucales de la larva. La mutación y comprende las siguientes clases fenotípicas : los mutantes que muestran una pérdida completa de pigmentación de la cutícula (tipo y) y otros mutantes que muestran un patrón de pigmento en mosaico con algunas regiones de la cutícula (tipo salvaje, tipo y2). El papel del gen amarillo es diverso y es responsable de los cambios en el comportamiento, la maduración reproductiva específica del sexo y la reprogramación epigenética . El gen y es un gen ideal para estudiar, ya que es visiblemente claro cuándo un organismo tiene este gen, lo que facilita la comprensión del paso del ADN a la descendencia.


Ala de tipo salvaje (izquierda) vs.Ala en miniatura (derecha)

Genoma

Información genómica
Drosophila-cromosoma-diagrama.jpg
Cromosomas de D. melanogaster a escala con referencias de mega pares de bases orientadas como en la base de datos del Centro Nacional de Información Biotecnológica , las distancias centimorgan son aproximadas y estimadas a partir de las ubicaciones de los loci mapeados seleccionados.
Identificación del genoma NCBI 47
Ploidía diploide
Numero de cromosomas 8
Año de finalización 2015

El genoma de D. melanogaster (secuenciado en 2000 y curado en la base de datos FlyBase ) contiene cuatro pares de cromosomas: un par X / Y y tres autosomas etiquetados 2, 3 y 4. El cuarto cromosoma es relativamente muy pequeño y, por lo tanto, a menudo ignorado, aparte de su importante gen sin ojos . El genoma secuenciado de D. melanogaster de 139,5 millones de pares de bases se ha anotado y contiene alrededor de 15.682 genes según la publicación Ensemble 73. Más del 60% del genoma parece ser ADN funcional que no codifica proteínas implicado en el control de la expresión génica. La determinación del sexo en Drosophila ocurre por la proporción X: A de cromosomas X a autosomas, no debido a la presencia de un cromosoma Y como en la determinación del sexo humano. Aunque el cromosoma Y es completamente heterocromático , contiene al menos 16 genes, muchos de los cuales se cree que tienen funciones relacionadas con el hombre.

Hay tres ortólogos de transferrina , todos los cuales son dramáticamente divergentes de los conocidos en los modelos de cordados .

Similitud con los humanos

Un estudio de marzo de 2000 realizado por el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano que comparó la mosca de la fruta y el genoma humano estimó que aproximadamente el 60% de los genes se conservan entre las dos especies. Aproximadamente el 75% de los genes de enfermedades humanas conocidas tienen una coincidencia reconocible en el genoma de las moscas de la fruta, y el 50% de las secuencias de proteínas de las moscas tienen homólogos de mamíferos. Una base de datos en línea llamada Homophila está disponible para buscar homólogos de genes de enfermedades humanas en moscas y viceversa.

Drosophila se está utilizando como modelo genético para varias enfermedades humanas, incluidos los trastornos neurodegenerativos Parkinson , Huntington , ataxia espinocerebelosa y enfermedad de Alzheimer . La mosca también se está utilizando para estudiar los mecanismos subyacentes al envejecimiento y el estrés oxidativo , la inmunidad , la diabetes y el cáncer , así como el abuso de drogas .

Connectome

Drosophila es uno de los pocos animales ( C. elegans es otro) donde se encuentran disponibles circuitos neuronales detallados (un conectoma ).

Existe un conectoma de alto nivel, al nivel de los compartimentos cerebrales y los tractos interconectados de neuronas, para el cerebro de la mosca completa. Una versión de esto está disponible en línea.

Existen conectomas detallados a nivel de circuito para la lámina y la columna de la médula , tanto en el sistema visual de la mosca de la fruta como en el lóbulo alfa del cuerpo del hongo.

En mayo de 2017, un artículo publicado en bioRxiv presentó una pila de imágenes de microscopía electrónica de todo el cerebro de una mujer adulta en resolución sináptica. El volumen está disponible para un rastreo escaso de circuitos seleccionados.

En 2020, se lanzó un conectoma denso de la mitad del cerebro central de Drosophila , junto con un sitio web que permite consultas y exploración de estos datos. Siguieron los métodos utilizados en la reconstrucción y el análisis inicial del conectoma.

Desarrollo

Artículo principal: embriogénesis de Drosophila

El ciclo de vida de este insecto tiene cuatro etapas: huevo fertilizado, larva, pupa y adulto.

La embriogénesis en Drosophila se ha estudiado extensamente, ya que su pequeño tamaño, corto tiempo de generación y gran tamaño de cría la hacen ideal para estudios genéticos. También es único entre los organismos modelo porque la escisión se produce en un sincitio .

D. melanogaster ovogénesis

Durante la ovogénesis, los puentes citoplásmicos llamados "canales en anillo" conectan el ovocito en formación con las células nodrizas. Los nutrientes y las moléculas de control del desarrollo se mueven desde las células nodrizas al ovocito. En la figura de la izquierda, se puede ver que el ovocito en formación está cubierto por células de soporte folicular.

Después de la fertilización del ovocito, el embrión temprano (o embrión sincitial ) experimenta una rápida replicación del ADN y 13 divisiones nucleares hasta que se acumulan alrededor de 5000 a 6000 núcleos en el citoplasma no separado del embrión. Al final de la octava división, la mayoría de los núcleos han migrado a la superficie, rodeando el saco vitelino (dejando solo unos pocos núcleos, que se convertirán en los núcleos vitelinos). Después de la décima división, las células polares se forman en el extremo posterior del embrión, segregando la línea germinal del sincitio. Finalmente, después de la 13ª división, las membranas celulares se invaginan lentamente, dividiendo el sincitio en células somáticas individuales. Una vez que se completa este proceso, comienza la gastrulación .

La división nuclear en el embrión de Drosophila temprano ocurre tan rápidamente que no existen puntos de control adecuados, por lo que se pueden cometer errores en la división del ADN. Para solucionar este problema, los núcleos que han cometido un error se desprenden de sus centrosomas y caen en el centro del embrión (saco vitelino), que no formará parte de la mosca.

La red de genes (interacciones transcripcionales y proteicas) que gobiernan el desarrollo temprano del embrión de la mosca de la fruta es una de las redes de genes mejor comprendidas hasta la fecha, especialmente el patrón a lo largo de los ejes anteroposterior (AP) y dorsoventral (DV) (ver morfogénesis ).

El embrión sufre movimientos morfogenéticos bien caracterizados durante la gastrulación y el desarrollo temprano, incluida la extensión de la banda germinal, la formación de varios surcos, la invaginación ventral del mesodermo y la invaginación posterior y anterior del endodermo (intestino), así como una extensa segmentación corporal hasta que finalmente eclosión de la cutícula circundante en una larva de primer estadio.

Durante el desarrollo larvario, los tejidos conocidos como discos imaginales crecen dentro de la larva. Los discos imaginales se desarrollan para formar la mayoría de las estructuras del cuerpo adulto, como la cabeza, las piernas, las alas, el tórax y los genitales. Las células de los discos imaginales se separan durante la embriogénesis y continúan creciendo y dividiéndose durante las etapas larvarias, a diferencia de la mayoría de las otras células de la larva, que se han diferenciado para realizar funciones especializadas y crecer sin más división celular. En la metamorfosis, la larva forma una pupa , dentro de la cual los tejidos larvarios se reabsorben y los tejidos imaginales experimentan extensos movimientos morfogenéticos para formar estructuras adultas.

Plasticidad del desarrollo

Los factores bióticos y abióticos experimentados durante el desarrollo afectarán la asignación de recursos del desarrollo, lo que conducirá a una variación fenotípica , también conocida como plasticidad del desarrollo. Como ocurre con todos los insectos, los factores ambientales pueden influir en varios aspectos del desarrollo de Drosophila melanogaster . Las moscas de la fruta criadas bajo un tratamiento de hipoxia experimentan una disminución en la longitud del tórax, mientras que la hiperoxia produce músculos de vuelo más pequeños, lo que sugiere efectos negativos en el desarrollo de niveles extremos de oxígeno. Los ritmos circadianos también están sujetos a la plasticidad del desarrollo. Las condiciones de luz durante el desarrollo afectan los patrones de actividad diaria en Drosophila melanogaster , donde las moscas criadas bajo luz o oscuridad constante son menos activas cuando son adultas que aquellas criadas bajo un ciclo de luz / oscuridad de 12 horas.

La temperatura es uno de los factores que más influyen en el desarrollo de los artrópodos . En Drosophila melanogaster , la plasticidad del desarrollo inducida por la temperatura puede ser beneficiosa y / o perjudicial. Muy a menudo, las temperaturas de desarrollo más bajas reducen las tasas de crecimiento que influyen en muchos otros factores fisiológicos. Por ejemplo, el desarrollo a 25 ° C aumenta la velocidad al caminar, la amplitud del rendimiento térmico y el éxito territorial, mientras que el desarrollo a 18 ° C aumenta la masa corporal y el tamaño de las alas, todo lo cual está relacionado con la aptitud. Además, el desarrollo a ciertas temperaturas bajas produce alas proporcionalmente grandes que mejoran el vuelo y el rendimiento reproductivo a temperaturas igualmente bajas ( ver aclimatación ).

Si bien ciertos efectos de la temperatura del desarrollo, como el tamaño corporal, son irreversibles en los ectotermos , otros pueden ser reversibles. Cuando Drosophila melanogaster se desarrolla a temperaturas frías, tendrán una mayor tolerancia al frío, pero si las moscas criadas en frío se mantienen a temperaturas más cálidas, su tolerancia al frío disminuye y la tolerancia al calor aumenta con el tiempo. Debido a que los insectos generalmente solo se aparean en un rango específico de temperaturas, su tolerancia al frío / calor es un rasgo importante para maximizar la producción reproductiva.

Si bien se espera que los rasgos descritos anteriormente se manifiesten de manera similar en todos los sexos, la temperatura de desarrollo también puede producir efectos específicos del sexo en adultos de D. melanogaster .

  • Mujeres : el número de ovariolas se ve afectado significativamente por la temperatura de desarrollo en D. melanogaster. El tamaño del huevo también se ve afectado por la temperatura de desarrollo y se agrava cuando ambos padres se desarrollan a temperaturas cálidas ( ver Efecto materno ). Bajo temperaturas estresantes, estas estructuras se desarrollarán a tamaños finales más pequeños y disminuirán la producción reproductiva de la hembra. La fecundidad temprana (huevos totales puestos en los primeros 10 días después de la eclosión ) se maximiza cuando se cría a 25 ° C (frente a 17 ° C y 29 ° C) independientemente de la temperatura del adulto. En una amplia gama de temperaturas de desarrollo, las hembras tienden a tener una mayor tolerancia al calor que los machos.
  • Machos: las temperaturas de desarrollo estresantes causarán esterilidad en los machos de D. melanogaster ; aunque el límite superior de temperatura puede aumentarse manteniendo las cepas a altas temperaturas ( Ver aclimatación ). La esterilidad masculina puede ser reversible si los adultos vuelven a una temperatura óptima después de desarrollarse a temperaturas estresantes. Los machos de mosca son más pequeños y tienen más éxito en la defensa de los sitios de alimentación / oviposición cuando se crían a 25 ° C frente a 18 ° C; por lo tanto, los machos más pequeños tendrán un mayor éxito de apareamiento y rendimiento reproductivo.

Determinación del sexo

Las moscas Drosophila tienen cromosomas X e Y, así como autosomas . A diferencia de los humanos, el cromosoma Y no confiere masculinidad; más bien, codifica genes necesarios para producir espermatozoides. En cambio, el sexo está determinado por la proporción de cromosomas X a autosomas. Además, cada célula "decide" si es macho o hembra independientemente del resto del organismo, lo que resulta en la aparición ocasional de ginandromorfos .

Cromosomas X Autosomas Relación de X: A Sexo
XXXX AAAA 1 Mujer normal
XXX AAA 1 Mujer normal
XXY Automóvil club británico 1 Mujer normal
XXYY Automóvil club británico 1 Mujer normal
XX Automóvil club británico 1 Mujer normal
XY Automóvil club británico 0,50 Hombre normal
X Automóvil club británico 0,50 Hombre normal (estéril)
XXX Automóvil club británico 1,50 Metafemale
XXXX AAA 1,33 Metafemale
XX AAA 0,66 Intersexual
X AAA 0,33 Metamale

Tres genes principales están involucrados en la determinación del sexo de Drosophila . Estos son letales para el sexo, sin hermanas y inexpresivos . Deadpan es un gen autosómico que inhibe la letalidad sexual , mientras que sin hermanas se transporta en el cromosoma X e inhibe la acción de deadpan . Una célula AAX tiene el doble de inexpresiva que sin hermana , por lo que se inhibirá la letalidad sexual , creando un macho. Sin embargo, una célula AAXX producirá suficientes hermanas sin hermanas como para inhibir la acción de la inexpresividad , lo que permitirá que el gen letal para el sexo se transcriba para crear una hembra.

Más tarde, el control por inexpresivo y sin hermanas desaparece y lo que se vuelve importante es la forma del gen letal sexual . Un promotor secundario provoca la transcripción tanto en hombres como en mujeres. El análisis del ADNc ha demostrado que se expresan diferentes formas en hombres y mujeres. Se ha demostrado que la letalidad sexual afecta el empalme de su propio ARNm . En los machos, se incluye el tercer exón que codifica un codón de parada , lo que provoca que se produzca una forma truncada. En la versión femenina, la presencia de letalidad sexual hace que se pierda este exón; los otros siete aminoácidos se producen como una cadena de péptidos completa , lo que nuevamente da una diferencia entre hombres y mujeres.

La presencia o ausencia de proteínas funcionales letales para el sexo ahora afecta la transcripción de otra proteína conocida como doble sexo. En ausencia de sexo letal, se eliminará el cuarto exón y se traducirá hasta el exón 6 inclusive (DSX-M [ale]), mientras que en su presencia, el cuarto exón que codifica un codón de terminación producirá una versión truncada. de la proteína (DSX-F [emale]). DSX-F provoca la transcripción de las proteínas de la yema 1 y 2 en las células somáticas , que se bombearán al ovocito durante su producción.

Inmunidad

El sistema inmunológico de D. melanogaster se puede dividir en dos respuestas: humoral y mediada por células. La primera es una respuesta sistémica mediada en gran parte a través de las vías Toll e Imd , que son sistemas paralelos para detectar microbios. Otras vías, incluidas las vías de respuesta al estrés JAK-STAT y P38 , la señalización nutricional a través de FOXO y la señalización de muerte celular JNK, están implicadas en respuestas fisiológicas clave a la infección. D. melanogaster tiene un cuerpo graso , que es análogo al hígado humano. El cuerpo graso es el órgano secretor principal y produce moléculas inmunes clave tras la infección, como serina proteasas y péptidos antimicrobianos (AMP). Los AMP se secretan en la hemolinfa y se unen a bacterias y hongos infecciosos, matándolos formando poros en sus paredes celulares o inhibiendo los procesos intracelulares. En cambio, la respuesta inmune celular se refiere a la actividad directa de las células sanguíneas (hemocitos) en Drosophila , que son análogas a los monocitos / macrófagos de mamíferos. Los hemocitos también poseen un papel importante en la mediación de respuestas inmunes humorales como la reacción de melanización .

La respuesta inmune a la infección puede involucrar hasta 2.423 genes, o el 13,7% del genoma. Aunque la respuesta transcripcional de la mosca al desafío microbiano es altamente específica para patógenos individuales, Drosophila expresa diferencialmente un grupo central de 252 genes tras la infección con la mayoría de las bacterias. Este grupo central de genes está asociado con categorías de ontología genética como respuesta antimicrobiana, respuesta al estrés, secreción, tipo neuronal, reproducción y metabolismo, entre otras. Drosophila también posee varios mecanismos inmunes tanto para dar forma a la microbiota como para prevenir respuestas inmunes excesivas tras la detección de estímulos microbianos. Por ejemplo, los PGRP secretados con actividad amidasa eliminan y degradan la PGN de ​​tipo DAP inmunoestimuladora para bloquear la activación de Imd.

A diferencia de los mamíferos, Drosophila tiene inmunidad innata pero carece de una respuesta inmune adaptativa. Sin embargo, los elementos centrales de esta respuesta inmune innata se conservan entre los humanos y las moscas de la fruta. Como resultado, la mosca de la fruta ofrece un modelo útil de inmunidad innata para desenredar las interacciones genéticas de la función de señalización y efectora, ya que las moscas no tienen que lidiar con la interferencia de los mecanismos inmunitarios adaptativos que podrían confundir los resultados. Varias herramientas genéticas, protocolos y ensayos hacen de Drosophila un modelo clásico para estudiar el sistema inmunológico innato , que incluso ha incluido la investigación inmunológica en la estación espacial internacional.

La vía de peaje como se encuentra en la mosca de la fruta.

La vía de peaje de Drosophila

La primera descripción de los receptores tipo Toll implicados en la respuesta a la infección se realizó en Drosophila . que culminó con un premio Nobel en 2011. La vía Toll en Drosophila es homóloga a las vías Toll en mamíferos. Esta cascada reguladora se inicia después del reconocimiento de patógenos por los receptores de reconocimiento de patrones , en particular de bacterias grampositivas , parásitos e infecciones fúngicas. Esta activación conduce a cascadas de señalización de serina proteasa que finalmente activan la citocina Spätzle . Alternativamente, las proteasas microbianas pueden escindir directamente las serina proteasas como Perséfone que luego propagan la señalización. La citocina Spatzle actúa como ligando de la vía Toll en las moscas. Tras la infección, pro-Spatzle es escindido por la proteasa SPE (enzima de procesamiento de Spatzle) para convertirse en Spatzle activo, que se une al receptor Toll ubicado en la superficie celular del cuerpo graso y se dimeriza para la activación de las vías de señalización NF-κB posteriores, incluyendo múltiples dominios de muerte que contienen proteínas y reguladores negativos como la proteína de repetición anquirina Cactus. La vía culmina con la translocación de los factores de transcripción NF-κB Dorsal y Dif (factor de inmunidad relacionado con Dorsal) al núcleo.

La vía Toll se identificó por su regulación de péptidos antimicrobianos (AMP), incluido el péptido antimicótico Drosomicina . Tras la infección, los AMP aumentan su expresión a veces 1000 veces, lo que proporciona lecturas inconfundibles de la activación de la vía. Otro grupo de efectores similares a AMP regulados por Toll incluye a los Bomanins, que parecen ser responsables de la mayor parte de la defensa inmune mediada por Toll; sin embargo, los Bomanins por sí solos no exhiben actividad antimicrobiana.

Se ha propuesto que una segunda enzima similar a SPE actúa de manera similar para activar Spatzle, ya que la pérdida de SPE no reduce completamente la actividad de la señalización Toll, sin embargo, aún no se ha identificado una segunda SPE. Aún quedan por caracterizar varias serina proteasas, incluidas muchas con homología con SPE. La vía Toll también interactúa con la filtración renal de peptidoglicano derivado de la microbiota, manteniendo la homeostasis inmunitaria. Mecánicamente, los nefrocitos endocitan la PGN de ​​tipo Lys de la circulación sistémica y la encaminan a los lisosomas para su degradación. Sin esto, la señalización de peaje se activa de manera constitutiva, lo que resulta en un drenaje severo de las reservas de nutrientes y un estrés significativo en la fisiología del huésped.

Las moscas con deficiencia de AMP (ojos rojos) sufren un crecimiento bacteriano desenfrenado (fluorescencia verde) tras la infección.

La vía de Drosophila Imd

La vía Imd es ortóloga a la señalización de la superfamilia del receptor de TNF humano y es desencadenada por bacterias gramnegativas a través del reconocimiento por las proteínas de reconocimiento de peptidoglucanos (PGRP), incluidos los receptores solubles y los receptores de la superficie celular (PGRP-LE y LC, respectivamente). La señalización de Imd culmina en la translocación del factor de transcripción NF-κB Relish en el núcleo, lo que conduce a la regulación positiva de genes que responden a Imd, incluida la diptericina AMP . En consecuencia, las moscas deficientes en AMP se asemejan a los mutantes de la vía Imd en términos de susceptibilidad a la infección bacteriana. La señalización Imd y Relish también participan específicamente en la regulación de la inmunidad en los epitelios superficiales, incluso en el intestino y las vías respiratorias.

El factor de transcripción Relish también se ha implicado en procesos relacionados con la proliferación celular y la neurodegeneración, ya sea por autofagia o toxicidad autoinmune. En los modelos neurodegenerativos que se basan en la señalización de Imd, la expresión de AMP en el cerebro se correlaciona con el daño del tejido cerebral, las lesiones y, en última instancia, la muerte. Los AMP regulados por condimentos como Defensin y Diptericin también tienen propiedades anticancerígenas que promueven la eliminación del tumor. La diptericina B AMP regulada por Imd también es producida por el cuerpo graso específicamente en la cabeza, y la diptericina B es necesaria para la formación de la memoria a largo plazo.

Señalización JAK-STAT

Múltiples elementos de la vía de señalización JAK-STAT de Drosophila tienen homología directa con los genes de la vía JAK-STAT humana . La señalización de JAK-STAT se induce sobre diversos estreses del organismo, como el estrés por calor, la deshidratación o la infección. La inducción de JAK-STAT conduce a la producción de una serie de proteínas de respuesta al estrés, incluidas las proteínas que contienen tioéster (TEP), Turandots y el péptido antimicrobiano putativo Listericina. Los mecanismos a través de los cuales actúan muchas de estas proteínas aún se están investigando. Por ejemplo, los TEP parecen promover la fagocitosis de bacterias Gram-positivas y la inducción de la vía Toll. Como consecuencia, las moscas que carecen de TEP son susceptibles a la infección por los desafíos de la vía de peaje.

Hemocitos de Drosophila (verde) que envuelven la bacteria Escherichia coli (rojo).

La respuesta celular a la infección

Los hemocitos circulantes son reguladores clave de la infección. Esto se ha demostrado tanto mediante herramientas genéticas para generar moscas que carecen de hemocitos, como mediante la inyección de microesferas de vidrio o gotitas de lípidos que saturan la capacidad de los hemocitos para fagocitar una infección secundaria. Las moscas tratadas de esta manera no fagocitan las bacterias tras la infección y, en consecuencia, son susceptibles a la infección. Estos hemocitos se derivan de dos ondas de hematopoyesis , una que ocurre en el embrión temprano y otra que ocurre durante el desarrollo de larva a adulto. Sin embargo, los hemocitos de Drosophila no se renuevan durante la vida adulta, por lo que la mosca tiene un número finito de hemocitos que disminuyen a lo largo de su vida. Los hemocitos también participan en la regulación de los eventos del ciclo celular y la apoptosis de tejido aberrante (por ejemplo, células cancerosas) mediante la producción de Eiger, una molécula de señalización del factor de necrosis tumoral que promueve la señalización de JNK y, en última instancia, la muerte celular y la apoptosis.

Genética del comportamiento y neurociencia

En 1971, Ron Konopka y Seymour Benzer publicaron " Mutantes reloj de Drosophila melanogaster ", un artículo que describe las primeras mutaciones que afectaron el comportamiento de un animal. Las moscas de tipo salvaje muestran un ritmo de actividad con una frecuencia de aproximadamente un día (24 horas). Encontraron mutantes con ritmos más rápidos y más lentos, así como ritmos rotos: moscas que se mueven y descansan en rachas aleatorias. El trabajo durante los siguientes 30 años ha demostrado que estas mutaciones (y otras similares) afectan a un grupo de genes y sus productos que forman un reloj bioquímico o biológico . Este reloj se encuentra en una amplia gama de células de la mosca, pero las células portadoras del reloj que controlan la actividad son varias docenas de neuronas en el cerebro central de la mosca.

Desde entonces, Benzer y otros han usado pantallas de comportamiento para aislar genes involucrados en la visión, el olfato, la audición, el aprendizaje / memoria, el cortejo, el dolor y otros procesos, como la longevidad.

Siguiendo el trabajo pionero de Alfred Henry Sturtevant y otros, Benzer y sus colegas utilizaron mosaicos sexuales para desarrollar una nueva técnica de mapeo del destino . Esta técnica permitió asignar una característica particular a una ubicación anatómica específica. Por ejemplo, esta técnica demostró que el cerebro controla el comportamiento de cortejo masculino. El mapeo del destino en mosaico también proporcionó la primera indicación de la existencia de feromonas en esta especie. Los machos distinguen entre machos y hembras conespecíficos y dirigen el cortejo persistente preferentemente hacia las hembras gracias a una feromona sexual específica de la hembra que es producida principalmente por los tergitos de la hembra .

Los primeros mutantes de aprendizaje y memoria ( burro , colinabo , etc.) fueron aislados por William "Chip" Quinn mientras estaba en el laboratorio de Benzer, y finalmente se demostró que codificaban componentes de una vía de señalización intracelular que involucra AMP cíclico , proteína quinasa A y una transcripción. factor conocido como CREB. Se demostró que estas moléculas también están involucradas en la plasticidad sináptica en Aplysia y mamíferos.

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2017 fue otorgado a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young por sus trabajos utilizando moscas de la fruta para comprender los "mecanismos moleculares que controlan el ritmo circadiano ".

Las moscas macho cantan a las hembras durante el cortejo usando sus alas para generar sonido, y se han caracterizado algunas de las características genéticas del comportamiento sexual. En particular, el gen infructuoso tiene varias formas de empalme diferentes, y las moscas macho que expresan formas de empalme femeninas tienen un comportamiento similar al de la hembra y viceversa. Los canales de TRP nompC , nanchung e inactive se expresan en las neuronas del órgano de Johnston sensibles al sonido y participan en la transducción del sonido. La mutación del gen Genderblind , también conocido como CG6070, altera el comportamiento sexual de Drosophila , convirtiendo a las moscas en bisexuales .

Las moscas utilizan una versión modificada de los filtros Bloom para detectar la novedad de los olores, con características adicionales que incluyen la similitud del nuevo olor con el de los ejemplos previamente experimentados y el tiempo transcurrido desde la experiencia previa del mismo olor.

Agresión

Como ocurre con la mayoría de los insectos, los comportamientos agresivos entre los machos de moscas ocurren comúnmente en presencia de cortejar a una hembra y cuando compiten por los recursos. Tales comportamientos a menudo implican levantar alas y piernas hacia el oponente y atacar con todo el cuerpo. Por lo tanto, a menudo causa daños en las alas, lo que reduce su aptitud al eliminar su capacidad para volar y aparearse.

Comunicación acústica

Para que ocurra la agresión, las moscas macho producen sonidos para comunicar su intención. Un estudio de 2017 encontró que las canciones que promueven la agresión contienen pulsos que ocurren a intervalos más largos. La secuenciación de ARN de mutantes de mosca que muestran comportamientos demasiado agresivos encontró que más de 50 genes relacionados con la audición (importantes para los potenciales de receptores transitorios , la señalización de Ca 2+ y los potenciales de mecanorreceptores ) están regulados al alza en las neuronas AB ubicadas en el órgano de Johnston . Además, los niveles de agresión se redujeron cuando estos genes fueron eliminados a través de la interferencia del ARN . Esto significa el papel principal de la audición como modalidad sensorial en la comunicación de la agresión.

Señalización de feromonas

Además de la audición, otra modalidad sensorial que regula la agresión es la señalización de feromonas , que opera a través del sistema olfativo o gustativo dependiendo de la feromona. Un ejemplo es el cVA, una feromona anti-afrodisíaca utilizada por los machos para marcar a las hembras después de la cópula y para disuadir a otros machos del apareamiento. Esta feromona específica de los machos provoca un aumento en la agresión macho-macho cuando es detectada por el sistema gustativo de otro macho . Sin embargo, al insertar una mutación que hace que las moscas no respondan al cVA, no se observaron comportamientos agresivos. Esto muestra cómo existen múltiples modalidades para promover la agresión en las moscas.

Competencia por la comida

Específicamente, cuando se compite por comida, la agresión ocurre según la cantidad de comida disponible y es independiente de cualquier interacción social entre los machos. Específicamente, se encontró que la sacarosa estimulaba las neuronas receptoras gustativas, lo cual era necesario para estimular la agresión. Sin embargo, una vez que la cantidad de comida supera una determinada cantidad, la competencia entre los machos disminuye. Esto posiblemente se deba a una sobreabundancia de recursos alimentarios. A mayor escala, se encontró que la comida determinaba los límites de un territorio, ya que se observó que las moscas eran más agresivas en el perímetro físico de la comida.

Efecto de la privación del sueño

Sin embargo, como la mayoría de los comportamientos que requieren despertar y vigilia, se encontró que la agresión se ve afectada por la privación del sueño . Específicamente, esto ocurre a través del deterioro de la señalización de octopamina y dopamina , que son vías importantes para regular la excitación en los insectos. Debido a la menor agresión, se encontró que las moscas macho privadas de sueño estaban en desventaja en el apareamiento en comparación con las moscas normales. Sin embargo, cuando se administraron agonistas de octopamina a estas moscas privadas de sueño, se observó un aumento de los niveles de agresión y, posteriormente, se restauró la aptitud sexual. Por tanto, este hallazgo implica la importancia del sueño en la agresión entre moscas macho.

Transgénesis

Ahora es relativamente sencillo generar moscas transgénicas en Drosophila, basándose en una variedad de técnicas. Un enfoque para insertar genes extraños en el genoma de Drosophila implica elementos P. Los elementos P transponibles, también conocidos como transposones , son segmentos de ADN bacteriano que se transfieren al genoma de la mosca. Las moscas transgénicas ya han contribuido a muchos avances científicos, por ejemplo, modelando enfermedades humanas como el Parkinson , la neoplasia , la obesidad y la diabetes .

Visión

Imágenes estéreo del ojo

El ojo compuesto de la mosca de la fruta contiene 760 unidades de ojos u omatidios , y es uno de los insectos más avanzados. Cada ommatidio contiene ocho células fotorreceptoras (R1-8), células de soporte, células pigmentarias y una córnea. Las moscas de tipo salvaje tienen células de pigmento rojizo, que sirven para absorber el exceso de luz azul para que la mosca no sea cegada por la luz ambiental. Los genes del color de los ojos regulan el transporte vesicular celular. Las enzimas necesarias para la síntesis de pigmentos se transportan luego al gránulo de pigmento de la célula, que contiene moléculas precursoras de pigmento.

Cada célula fotorreceptora consta de dos secciones principales, el cuerpo celular y el rabdómero . El cuerpo celular contiene el núcleo , mientras que el rabdómero de 100 μm de largo está formado por pilas de membranas en forma de cepillo de dientes llamadas microvellosidades . Cada microvellosidad tiene 1 a 2 μm de longitud y alrededor de 60 nm de diámetro. La membrana del rabdómero está repleta de aproximadamente 100 millones de moléculas de rodopsina , la proteína visual que absorbe la luz. El resto de las proteínas visuales también están empaquetadas en el espacio microvillar, dejando poco espacio para el citoplasma .

Los fotorreceptores en Drosophila expresan una variedad de isoformas de rodopsina . Las células fotorreceptoras R1-R6 expresan rodopsina1 (Rh1), que absorbe la luz azul (480 nm). Las células R7 y R8 expresan una combinación de Rh3 o Rh4, que absorben luz UV (345 nm y 375 nm), y Rh5 o Rh6, que absorben luz azul (437 nm) y verde (508 nm), respectivamente. Cada molécula de rodopsina consta de una proteína opsina unida covalentemente a un cromóforo carotenoide , el 11-cis-3-hidroxiretinal.

Expresión de rodopsina1 (Rh1) en fotorreceptores R1-R6

Al igual que en la visión de los vertebrados , la transducción visual en los invertebrados se produce a través de una vía acoplada a la proteína G. Sin embargo, en los vertebrados , la proteína G es la transducina, mientras que la proteína G en los invertebrados es Gq (dgq en Drosophila ). Cuando la rodopsina (Rh) absorbe un fotón de luz, su cromóforo, el 11-cis-3-hidroxiretinal, se isomeriza a todo-trans-3-hidroxiretinal. Rh sufre un cambio conformacional en su forma activa, metarrodopsina. La metarodopsina activa Gq, que a su vez activa una fosfolipasa Cβ (PLCβ) conocida como NorpA.

PLCβ hidroliza el fosfatidilinositol (4,5) -bisfosfato (PIP 2 ), un fosfolípido que se encuentra en la membrana celular , en trifosfato de inositol soluble (IP 3 ) y diacilglicerol (DAG), que permanece en la membrana celular. DAG o un derivado de DAG hace que se abra un canal iónico selectivo de calcio conocido como potencial receptor transitorio (TRP) y el calcio y el sodio fluyan hacia la célula. Se cree que IP 3 se une a los receptores IP 3 en las cisternas subrabdoméricas, una extensión del retículo endoplásmico , y causa liberación de calcio, pero este proceso no parece ser esencial para la visión normal.

El calcio se une a proteínas como la calmodulina (CaM) y una proteína quinasa C (PKC) específica del ojo conocida como InaC. Estas proteínas interactúan con otras proteínas y se ha demostrado que son necesarias para apagar la respuesta a la luz. Además, las proteínas llamadas arrestinas se unen a la metarrodopsina y evitan que active más Gq. Un intercambiador de sodio-calcio conocido como CalX bombea el calcio fuera de la célula. Utiliza el gradiente de sodio hacia el interior para exportar calcio a una estequiometría de 3 Na + / 1 Ca ++ .

TRP, InaC y PLC forman un complejo de señalización al unirse a una proteína de andamiaje llamada InaD. InaD contiene cinco dominios de unión llamados proteínas de dominio PDZ , que se unen específicamente a los terminales C de las proteínas diana. La alteración del complejo por mutaciones en los dominios PDZ o en las proteínas diana reduce la eficiencia de la señalización. Por ejemplo, la interrupción de la interacción entre InaC, la proteína quinasa C e InaD da como resultado un retraso en la inactivación de la respuesta a la luz .

A diferencia de la metarrodopsina de vertebrados, la metarrodopsina de invertebrados se puede convertir de nuevo en rodopsina absorbiendo un fotón de luz naranja (580 nm).

Aproximadamente dos tercios del cerebro de Drosophila se dedica al procesamiento visual. Aunque la resolución espacial de su visión es significativamente peor que la de los humanos, su resolución temporal es alrededor de 10 veces mejor.

Aseo

Se sabe que las Drosophila exhiben comportamientos de aseo que se ejecutan de manera predecible. Drosophila comienza constantemente una secuencia de aseo usando sus patas delanteras para limpiar los ojos, luego la cabeza y las antenas. Usando sus patas traseras, Drosophila procede a acicalar su abdomen y finalmente las alas y el tórax. A lo largo de esta secuencia, Drosophila frota sus piernas periódicamente para deshacerse del exceso de polvo y escombros que se acumulan durante el proceso de aseo.

Se ha demostrado que los comportamientos de aseo personal se ejecutan en una jerarquía de supresión. Esto significa que los comportamientos de acicalamiento que ocurren al principio de la secuencia evitan que los que vienen más adelante en la secuencia ocurran simultáneamente, ya que la secuencia de acicalamiento consiste en comportamientos mutuamente excluyentes. Esta jerarquía no impide que Drosophila vuelva a comportamientos de aseo personal a los que ya se ha accedido en la secuencia de aseo personal. Se cree que el orden de los comportamientos de aseo en la jerarquía de supresión está relacionado con la prioridad de limpiar una parte específica del cuerpo. Por ejemplo, es probable que los ojos y las antenas se ejecuten al principio de la secuencia de aseo para evitar que los desechos interfieran con la función de los órganos sensoriales de D. melanogaster .

Caminando

Vista superior de una Drosophila caminando (izquierda) con las piernas rastreadas con DeepLabCut (derecha).

Como muchos otros insectos hexápodos, Drosophila normalmente camina con un paso de trípode. Esto significa que tres de las piernas se balancean juntas mientras que las otras tres permanecen estacionarias o en posición. La variabilidad alrededor de la configuración del trípode parece ser continua, lo que significa que las moscas no exhiben transiciones distintas entre diferentes andares. A velocidades de caminata rápidas (15 a 30 mm / s), la configuración para caminar es principalmente en trípode (3 patas en la postura), pero a velocidades bajas de caminata (0 a 15 mm / s), es más probable que las moscas tengan cuatro o cinco patas. en posición. Estas transiciones pueden ayudar a optimizar la estabilidad estática. Debido a que las moscas son tan pequeñas, las fuerzas de inercia son insignificantes en comparación con las fuerzas elásticas de sus músculos y articulaciones o las fuerzas viscosas del aire circundante.

Además de la estabilidad, también se cree que la robustez de la marcha es importante para determinar la marcha de una mosca a una velocidad de marcha particular. La robustez se refiere a la cantidad de compensación en el tiempo de una postura de piernas que se puede tolerar antes de que la mosca se vuelva estáticamente inestable. Por ejemplo, un paso robusto puede ser particularmente importante cuando se atraviesa un terreno irregular, ya que puede causar interrupciones inesperadas en la coordinación de las piernas. Usar un paso robusto ayudaría a la mosca a mantener la estabilidad en este caso. Los análisis sugieren que Drosophila puede presentar un compromiso entre la marcha más estable y la más robusta a una velocidad de marcha determinada.

Vuelo

Las moscas vuelan a través de secuencias rectas de movimiento intercaladas por giros rápidos llamados sacadas. Durante estos giros, una mosca puede girar 90 ° en menos de 50 milisegundos.

Las características del vuelo de Drosophila pueden estar dominadas por la viscosidad del aire, más que por la inercia del cuerpo de la mosca, pero puede ocurrir el caso opuesto con la inercia como fuerza dominante. Sin embargo, trabajos posteriores mostraron que, si bien los efectos viscosos en el cuerpo del insecto durante el vuelo pueden ser insignificantes, las fuerzas aerodinámicas en las alas mismas en realidad hacen que los giros de las moscas de la fruta se amortigüen de manera viscosa.

Conceptos erróneos

Drosophila a veces se conoce como una plaga debido a su tendencia a vivir en asentamientos humanos, donde se encuentra la fruta en fermentación. Las moscas pueden acumularse en hogares, restaurantes, tiendas y otros lugares.

El nombre y el comportamiento de esta especie de mosca ha llevado a la idea errónea de que es un riesgo para la seguridad biológica en Australia. Mientras que otras especies de "moscas de la fruta" representan un riesgo, D. melanogaster se siente atraída por la fruta que ya se está pudriendo, en lugar de hacer que la fruta se pudra.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos