Реферат: Дрозофила-объект научных исследований

Я- тоже муха:

Мой кратоквек.

 А чем ты, муха,

Не человек?

ВИЛЬЯМБЛЕЙК.

 «Муха»

Если почистить фрукты и то, что считается несъедобным,день-другой не выносить на помойку, можно заметить, как вокруг этого природного растительного материала разовьется своя особая жизнь. Вокруг отвергнутых человеком остатков пищи начнут роиться маленькие мушки размером по крайней мере на порядок, как говорят математики(т.е. примерно в10 раз), меньше, чемобычные комнатные мухи. Они настолько малы, что, если заведется всего несколькоштук, их можно и не заметить. Размеры мушек составляют только2-3,5 мм. Однако это крохотное создание вошлов историю науки, а следовательно, и в историю человечества как бесценный объектгенетических исследований.

<img src="/cache/referats/5075/image002.jpg" v:shapes="_x0000_s1026">
Врусский язык уже прочно вошло их название — дрозофила, в точности повторяющее латинское наименование рода мух семействаплодовых мушек Drosophilia. На земном шаре существует свыше 1000 видов этихпрелестных существ, и наибольшее распространение они получили в субтропиках итропиках — на одних только Гавайских островах обитает более 300 видовдрозофилы. На территории же нашей страны их на порядок меньше. Наиболееиспользуемым в науке видом является Drosophilia melanogaster.

Сами плодовые мушки питаются соком растений, гниющими растительнымиостатками, а личинки- микроорганизмами.Их жизненный цикл очень короток, и развитие от яйца до мухи занимает в среднем10 суток. Можно получить массу удовольствий, часами разглядывая эти крошечныесоздания под микроскопом с небольшим увеличением, лучше под бинокулярныммикроскопом, позволяющим получать объемное изображение. В нем легко разглядетьдетали строения переливающихся крылышек, удивительно красиво посаженные глазки,прямые или вилочкообразные щетинки и многое, многое другое. Малые размеры,плодовитость и ряд других преимуществ перед большинством живых организмов надолгое время сделали дрозофилу главным объектом генетики, и не один нобелевскийлауреат кроме своего могучего интеллекта обязан и ей своими высшими научнымидостижениями.

Одним из нобелевских лауреатов, которомудрозофилы оказали неоценимую услугу,был замечательный американскийзоолог и генетик Томас Хант Морган. Именно его имя использовалось дляшельмования отечественных биологов в период «лысенковщины», когдабыли введены ругательные тогда слова вейсманисты-морганисты,менделисты-морганисты или просто морганисты.

Морган родился в1866г. в семье дипломата. Мать его была внучкой композитора Фрэнсиса Скопа Лисочинившего американский национальный гимн. Не испытывая влияния биологов,Томас с детства интересовался биологическими объектами- он приносил в дом окаменелости, собрал коллекцию различных птиц,а первые свои научные исследования он выполнил, используя морских пауков.

В1902 г. американскийбиолог Уильям С. Саттон высказал предположение, что единицы наследственности(гены) размещаются в хромосомах. Морган решил его опровергнуть, считая, чтохромосомы не являются носителями наследственности, а возникают на раннихстадиях развития. Теперь мы уже знаем, что в конце концов он изменил своемнение на противоположное, доказав прямую роль хромосом в процессахнаследования макроскопических признаков живых организмов. Для выполнения этойработы в1908 г. лучшего объекта, чемдрозофила, Морган найти не смог. Ему понадобилось вырастить и изучить несколькомиллионов мушек, чтобы прийти к твердому убеждению, что хромосомы напрямуюсвязаны с наследственностью. И это только один ученый. Дрозофилу использовалинаверняка не менее нескольких сотен генетиков, и, следовательно, число мушек,понадобившихся науке, сравнимо с численностью людей на земном шаре.

Результаты некоторых экспериментов Моргана с дрозофилой,казалось, противоречили менделевскому закону независимого наследования,согласно которому каждый организм обладает генами, контролирующими тот или инойпризнак, и наследование одного признака, например пола, не зависит отнаследования другого- например цветаглаз. Оказалось, что некоторые признаки все же связаны между собой, т.е. ихсочетание встречается у потомков чем следует из законов Менделя.Так, например, белоглазость- мутантный признак- почти всегда встречается только у самцов. Это явление Морганназвал сцеплением с полом. Тенденция к сцеплению подсказало ученому, что гены,по-видимому, располагаются на одной и той же хромосомев тесной близости друг к другу. Было обнаружено что такихсцепленных групп у дроздофилы — четыре, иэта величина в точности совпала числом пар хромосом

Свои эксперименты Морган проводилв помещении, которое он называл мушиной комнатой. В 1914 г. в эту комнату явился студент-выпускникГерман Джозеф Меллер, которому впоследствии на той же дрозофиле суждено былооткрыть мутации под действием рентгеновского излучения. А пока Морган, Меллер идругие сотрудники старались ответить на вопрос, почему гены, расположенные наодной и той же хромосоме, наследовались реже, чем этого можно ожидать. Они предположили, что хромосомы,собранные в пары, могут расщеплятьсяи обмениваться своими участками, генами, и назвали этот процесс кроссинговером.Предположение основывалось на обнаруженном бельгийским ученым Ф.А.Янсеном в1909 г. (с помощью светового микроскопа)тесном переплетении хромосом.

Морган рассуждал так: чем больше расстояние между двумягенами в одной хромосоме, тем больше вероятность разрыва. Если это верно, тогены не будут наследоваться вместе, и наоборот-гены, расположенные в хромосоме близко друг от друга, имеют меньше шансов бытьразделенными, т.е. верна гипотеза американского генетика Альфреда ГенриСтертеванта о том, что сцепление двух генов в хромосоме определяется величинойлинейного расстояния между ними. Иными словами, была высказана замечательнаямысль, что, гены расположены вдоль хромосомы линейно, т.е. представляют собойлинейную матрицу. Используя данные о частотах кроссинговера, Морган первымначал составлять хромосомные (или генетические) карты, где в линейнойпоследовательности указывались гены, ответственные за тот или иноймакроскопический признак (цвет глаз или брюшка, формой щетинок или крыльев ит.д.). Так, если частота обмена между двумя генами равна5, то это означает, что они расположены в одной и той же хромосомена расстоянии5 условных линейных единиц.В дальнейшем имя Моргана, как ранее имена ряда других выдающихся ученых,например Дальтона, Ньютона, Джоуля, Ангстрема и других, стали использовать длянаименования этих единиц, и в настоящее время они называются морганидами. В1933 г. Т.X.Моргану была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине заоткрытия, связанные с ролью хромосом в наследственности.

Морган изучал в основном самопроизвольно возникающиемутации. Но они могут быть вызваны и искусственно, например путем физическихили химических воздействий. Первым физическим мутагенным фактором былорентгеновское излучение. Его использовал ученик Моргана Герман Меллер.Химический мутагенез еще в 30-е гг. открыл наш соотечественник Иосиф АбрамовичРапопорт, герой Великой Отечественной войны (он дважды былпредставлен к званию Героя Советского Союза) инастоящий герой науки во времена борьбы с «лысенковщиной». Однакоопубликовать свои результаты о мутагенном действии формальдегида и другихкарбонильных соединений он смог только в1946г. одновременно с шотландкой Шарлоттой Ауэрбах, сообщившей в научной печати обаналогичных свойствах иприта. И опять объектом исследования было неприметнаямушка.

РичардЭксел (RichardAxel) и егоколлеги изучили функции двух десятков генов, ответственных за восприятие вкусау дрозофилы. Об этом — статья в Cellот9 марта.

Группа Эксела продолжила исследования молекулярных биологовиз Йельского университета Питера Клайна и Джона Карлсона, идентифицировавшихкомплекс генов под общим названием GR. Эти геныотвечают за формирование вкусовых рецепторов дрозофил: кодируемые ими белкиприсутствуют преимущественно в хоботках, ножках и усиках насекомых.

Эксел и его коллеги обнаружили большое сходство междуGR и обонятельными генами дрозофилы. Этопозволяет предположить, что у отдаленных предков мух за распознавание вкуса изапаха отвечали одни и те же гены, и лишь в процессе эволюции постепеннопроизошло их разделение на «вкусовые» и «обонятельные».

Исследователи считают, что дальнейшее изучение белков,отвечающих за распознавание вкуса и запаха, может привести к революции всельском хозяйстве. Разобравшись в структуре молекул; можно будет создаватьэкологически чистые препараты, способные сделать сельскохозяйственные культурыневкусными или дурно пахнущими для насекомых-вредителей.

Различия в организации эу- и гетерохроматинадрозофилы.

Наиболее существенные свойства эу- и гетерохромати на,характеризующие различия в их организации, при ведены в табл.1.

Даже первого взгляда на эту таблицу достаточно чтобыувидеть, насколько эу- и гетерохроматин различны по строению ифункционированию. Некоторые из свойств очень интересны, и мы рассмотрим их боледетально.

Эффект положения мозаичного типа

Одним из удивительных свойств гетерохроматина являетсяего способность передавать компактизованное состояние на эухроматиновыефрагменты хромосом, перенесенные в его соседство с помощью хромосомныхперестроек (рис.2). Гены в перенесенномфрагменте инактивируются, хотя и не во всех клетках одного и того же органа.Например, если генw+ у дрозофилы, обеспечивающий нормальный красныйцвет глаз у мухи, переносится с помощью инверсии In(l)wm4в новоеположение- в окружение прицентромерногогетерохроматина, в части клеток он инактивируется. В результате на фоненормально окрашенных участков глаза будут появляться пятна из неокрашенныхбелых клеток, в которых ген w+инактивирован — образуется как бы мозаикаиз окрашенных и неокрашенных клеток (см. рис.2). Это явление; называемое эффектом положения мозаичного типа, внастоящее время изучают весьма интенсивно, поскольку исследо­ватели полагают,что оно является удобной моделью для понимания генетического контролямеханизмов компактизации — декомпактизации хроматина.

<img src="/cache/referats/5075/image004.jpg" v:shapes="_x0000_i1025">

Рис.2. Схема, иллюстрирующая эффект положения мозаичного типа- генетическую инактивацию эухроматиновогофрагмента хромосомы, содержащего ген w+,перенесенного всоседство гетерохроматина

Во всех этих работах было сделано сенсационное открытие:наследственность можно преднамеренно изменять в лабораторных условиях.Последнюю точку в исследовании хромосом и генов как линейных матриц,по-видимому, поставил еще один наш соотечественник, лауреат Кимберовской премии(премии по генетике, дополняющейНобелевские по физиологии и медицине) Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский,который совместно с немецкими учеными Клаусом Циммерманом и Максом Дельбрюком(еще одним нобелевским лауреатом) в 30-х гг. определил размер гена. И уже не вусловных единицах, а в обычных единицах длины (например, в нанометрах).Полученные величины великолепно совпали с более поздними данными о размерахДНК.

ГеныY-хромосомы.

Еще на заре рождения генетики, в1916 году, американский ученый К. Бриджес установил, чтоэкспериментально полученные самцы дрозофилы безY-хромосомы (то есть ХО в отличие от нормальных самцов XY) имеют нормальную жизнеспособность и строение всехорганов, но они полностью стерильны. В последующих экспериментах было показано,чтоY-хромосома дрозофилы содержит толькодевять генов, из которых шесть влияют на способность самцов оставлять потомство(фертильность). Оставшиеся три гена — этоbobbed(bb),серия иликластер генов, кодирующих рибосомную РНК и активность которых приводит кобразованию ядрышка (нужно упомянуть, что второй ядрышкообразующий генbb удрозофилы находится также в гетерохроматиновом районе, но Х-хромосомы). Генbb,состоящий из повторенных фрагментов, занимает около5% всей ДН К Y-хромосомы.

В пределах генаbb находятся участки,контролирующие процесс коньюгации хромосом в мейозе. Дело в том, что в мейозеспариваются гомологичные хромосомы за счет конъюгации гомологичныхпоследовательностей нуклеотидов ДНК. Поскольку половые Х- и Y-хромосомы морфологически и функционально совершенноразличны, вопрос о механизмах спаривания этих элементов в мейотической профазеI достаточно актуален. Начиная с 1930-х годовнакапливались данные о наличии участков спаривания в гетерохроматинеХ-хромосомы, в районе локализации гена bobbed.Их назвали сайтами collohores(col).

В1990 году удалосьпоказать, что ответственными за опознание Х- иY-хромосом и их последующую конъюгацию и расхождение в мейозе являютсякороткие последовательности нуклеотидов длиной в240 п.н., расположенные в промежутках между генами рибосомной РНК, как вХ-, так иY-хромосоме. Участоклокализации локуса со/ занимает вY-хромосомеоколо7% ее длины. Удалениеbb с помощью хромосомных нехваток(делений) полностью нарушает правильную конъюгацию половых хромосом.

Еще один ген- crystal(cry)влияет наповедение хромосом в мейозе и правильное формирование гамет. Разрывы участкахромосом, занимаемого этим геном, не приводят к развитию каких-либофенотипических изменений у самцов дрозофил. Однако при полном или частичномудалении этого участка с помощью делений в первичных сперматоцитах, в клетках,из которых образуются сперматозоиды, появляются белковые кристаллы, а во времямейоза нарушается расщепление хромосом. Интересно отметить, что есть еще одинген, расположенный в эухроматине Х-хромосомы,-Stellate(Ste),которыйвзаимодействует с геном crystal.При этом,если в Х-хромосоме присутствует нормальный аллель гена Stellate(Ste+),кристаллыимеют игловидную форму, если мутантный Ste--ониприобретают вид звезды. Ген Ste+был клонирован,и в результате анализа ДНК было показано, чтоон содержит тандемно повторенную (до200раз) последовательность длиной1250 п.н.Нужная степень повторенности этого фрагмента соответствует аллелюSte+(игловидные кристаллы уSte+/0 самцов, то есть тех, которые не имеютY-хромосомы). Высокая степень повторенностиприводит к образованию звездовидных кристаллов у Ste- /О.Транскрипты гена Ste-находят всеменниках. ГенSte+ кодирует бета-субъединицу ферментаказеин-киназы-2. Этот белок, по-видимому, вовлечен в процессы конденсациихромосом и их последующего расхождения по гаметам.

Присутствие нормального аллеля гена crystalингибирует накоплениеРНК гена Ste+.Посуществующим представлениям сгу+контролирует активность гена Ste+: удалениеY-хромосомы приводит к сверхпродукции Ste+-PHK, в результате чего избыток белка этого генакристаллизуется в сперматоцитах и нарушает их функциональные возможности, что иприводит к стерильности.

У D. melanogasterнайденошесть факторов фертильности самцов (kl-5, kl-3, kl-2, kl-1, ks-Iи ks-2 нарис. З) Из них три очень больших:kl-5, kl-3и ks-1 —занимаютпо10% Y-хромосом каждый, то естьпримерно по 4000 т.п.н.

Интересно проявляется активность факторов фертильности удрозофилы. В1961 году три немецкихученых (G.F. Меуег, О. Hess, W. Beermann) описалиособыенитевидные структуры в ядрахразвивающихся сперма тоцитов D. melanogaster,которые впоследствии стал называть петлями (рис.5). Такие структуры нашли фактически у всех50 изучаемых видов дрозофилы. Показано, чтопетли- это декомпактизованные, аследовательно, активные участкиY-хромосом.В них синтезируется РНК и накапливаются белки. Каждая петля ядре данного видадрозофилы имеет характерные размеры, ультраструктуру и внешний вид (см. рис.5). У других видов морфология набора петельдругая.

О том, что петли формируются из материала Y-xpомосомы,свидетельствуют следующие факты.

1.У самцов, не имеющихY-хромосомы (ХО), нет и петель, а у особей с двумяY-хромосомами (XYY) они присутствуют в двойном наборе. Если происходит делеция частиY-хромосомы, обнаруживаются не все петли. Влиниях с дупликациями частейY-хромосом числопетель соответственно увеличивается.

2.У межвидовых гибридов морфологияпетель такая же, как и у вида- донораY-хромосомы.

Более детальный анализ показал, что гены ферментильностисамцов локализованы в петлях.

1.Сначала были установлены корреляции между числом генов и петель. Затем, используя хромосомные– перестройки, установили прямое соответствиев их локализации. Так, фактор kl-5соответствует петле А, поскольку и петля, и фактор располагаются между точкамиразрывов одних и тех же перестроек (см. рис.3).Фактор kl-3расположен в петле B,ks-1 -в петле С.

2.При удалении делециями хотя быодной петли самец становится стерильным.

После получения клонов ДНК изY-хромосом дрозофил появилась возможность анализа молекулярнойорганизации этой хромосомы. Общая длина петель составляет около1000 мкм, или1/12 всей длины ДНК в Y-хромосоме.Функции остальных11/12 пока неизвестны.В состав ДНКY-хромосомы входят два типаповторенных последовательностей.

<img src="/cache/referats/5075/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">

<span Times New Roman",«serif»">Рис.3. Общий вид ядра спермотоцита у самца

<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">Drosofilia<span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">hydei<span Times New Roman",«serif»"><span Times New Roman",«serif»">(из [1], с.62). <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">TR<span Times New Roman",«serif»">, <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">P<span Times New Roman",«serif»">, <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">THD<span Times New Roman",«serif»">, <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">CL<span Times New Roman",«serif»">, <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">THP<span Times New Roman",«serif»">, <span Times New Roman",«serif»;mso-ansi-language:EN-US">NS<span Times New Roman",«serif»"> – названия петель, С – центромера,<span Times New Roman",«serif»; mso-ansi-language:EN-US">N<span Times New Roman",«serif»">- ядрышко

Вывод:

Таким образом, муха Дрозофила играет большую роль, как объектгенетических исследований. Исследование ее генов принесло известность многимгенетикам. Изучая гены Дрозофилы, ученые открыли много законов, таких как:закон Моргана — сцепленного наследования генов и закон Менделя. К тому же уДрозофилы нашли много различных генов, отвечающих за наследование некоторыхпризнаков. В последствии многие из этих открытий применялись к людям. И если быне было этих мух, ученые еще долго бы не открыли законы наследования у людей.

Таблица 1.

Свойства

Эухроматин

Гетерохроматин

Доля генома

67%

33%

Расположение в хромосомах

Плечи хромосом

В прицентромерных областях, вся Y-хромосом

Состояние компактности в клеточном

В ходе митотического и мейоти-

На протяжении всего клеточного цикла

Цикле

ческого делений

Компактизующее влияние на приближен­

Не оказывает

Участки эухроматина, приближенные к гетеро

ные участки хромосом (эффект положе

хроматину, также становятся компактными,

ния мозаичного типа)

гены в них инактивируются

Способность объединяться с другими

Не отмечена

Гетерохроматиновые участки объединяйте;

районами хромосом

образуя хромоцентры

Образование хромосомных перестроек

Обычная частота обнаружения

Повышенная частота обнаружения

Расположение в клеточном ядре

По всему объему ядра

Главным образом на ядерной оболочке

Время синтеза ДНК в клеточном цикле

Первые3/4 периода синтеза ДНК

Последняя половинаS-периода. Завершени

в интерфазе(S-периода)

процесса репликации ДНК сильно задержано

Дифференциальная окраска специфичес­

Отсутствие окраски

Интенсивная окраска

кими красителями (С-окраска)

Фракции ДНК по степени повторенности

-90%уникальных последователь­

Основная масса ДНК представлена высокопое

ностей и-10% умеренно повто­

торенными фракциями, в меньшей степен

ренных

умеренными повторами и совсем мало уникал!

ных последовательностей

Наличие особых компактизующих бел­

Почти отсутствует

Обильно присутствует по всему гетерохромг

ков, например белка НР1

тину

Варьирование количества материала в

Заметное варьирование не обна­

Варьирование количества гетерохроматинаun

хромосомах

ружено

роко представлено в каждой хромосоме

Генетическое содержание

Основная часть всех генов генома

Гены почти отсутствуют

локализована в эухроматине

Литература:

«Соросовский Образовательный Журнал» том 6 №2 2000

И. Ф. Жимулев «Молекулярнаяи генетическая организация гетерохромотина в хромосомах дрозофилы».

Биология №14 1996.

А.А.Замятнин «Хромосомные матрицы, или Одав честь плодовой мушки-дрозофилы»

Газета «Поиск» №11 2001

<span Times New Roman",«serif»">