Drosophila melanogaster amante della rugiada dalla pancia bruna

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1 Drosophila melanogaster amante della rugiada dalla pancia bruna La Drosophila melanogaster è un moscerino che è stato ed è ancora oggetto di indagini per lo studio sull ereditarietà dei caratteri mendeliani e sulle mutazioni. Thomas Hunt Morgan (Lexington,1866 Pasadena,1945) Nel 1910 iniziò gli studi sulla Drosophila e riconobbe la localizzazione e l'ordinamento lineare dei geni nei cromosomi, dimostrandone la capacità di dar luogo a mutazioni e gettando in tal modo le basi della teoria cromosomica dell'ereditarietà. Il suo laboratorio alla Columbia University di New York, fu soprannominato la stanza delle mosche.

2 Hermann Muller ( ) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1946 Collaboratore di Thomas Hunt Morgan, incentrò le sue ricerche sul fenomeno del linkage e del crossing-over, e sulla frequenza delle mutazioni. Riuscì per primo ad ottenere una mutazione genetica controllata attraverso l'utilizzo dei raggi X, nel Per il suo apporto alla conoscenza della genetica gli venne conferito il Premio Nobel nel The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995 "for their discoveries concerning the genetic control of early embryoni development" Edward B. Lewis ( ) Christiane Nüsslein-Volhard Eric F.Wieschaus (1947) ( 1942 ) Il moscerino della frutta ha permesso di studiare approfonditamente lo sviluppo dell'occhio e i risultati ottenuti nelle ricerche sulla Drosophila potranno nella maggior parte dei casi essere applicati anche agli esseri umani

3 Geni omeotici Ciascun organismo è costituito da numerose parti distinte e disposte secondo un preciso ordinamento anatomico. Ogni parte è formata da diversi tipi di cellule, tessuti e organi. Quando la prima cellula di un organismo pluricellulare comincia a dividersi per mitosi, essa origina una masserella di cellule (morula) tutte geneticamente identiche, ovvero dotate dello stesso patrimonio di geni. Tali cellule sono dette cellule staminali o totipotenti, poiché sono teoricamente in grado di trasformarsi in un qualsiasi tipo cellulare dell organismo adulto. Si osserva però che, dopo un certo lasso di tempo, nelle diverse parti della morula le cellule iniziano a specializzarsi, cioè ad avviare il processo di differenziamento. Sembra che tale fenomeno sia regolato da uno specifico gruppo di geni, detti geni omeotici. Questi presiedono alla sintesi di particolari proteine, che hanno evidentemente un effetto di controllo sull attività delle altre cellule, e ne determinano la specializzazione in un senso piuttosto che in un altro. Walter J. GEHRING (Zurigo, 1939) è uno dei pionieri nel campo della zoologia molecolare e della biologia molecolare dello sviluppo. Professore di Zoologia e biologia cellulare dell Università di Basilea, deve la sua fama alla innovativa scoperta delle sequenze homeobox e dei meccanismi conservativi di regolazione dello sviluppo corporeo. Le ricerche di Walter J. Gehring hanno rivelato che tutti i geni omeotici hanno in comune una sequenza di 180 paia di basi nucleotidiche che lui ha chiamato homeobox. La scoperta delle sequenze homeobox ha aperto nuove strade di ricerca nel settore della evoluzione molecolare e dello sviluppo animale, facendo luce sulle modalità di sviluppo degli organismi pluricellulari e sui meccanismi molecolari per mezzo dei quali le proteine codificate dai geni homeobox agiscono come fattori di controllo della trascrizione del DNA, regolando l espressione del genoma in tutti gli organismi. Dalla sua scoperta è emerso che questo meccanismi di regolazione dello sviluppo sono rimasti inalterati in tutti gli organismi animali, dalle spugne all uomo. Più recentemente, Walter J. Gehring ha fatto una nova scoperta di grande importanza identificando un controllo genetico fondamentale per lo sviluppo dell occhio in tutti gli animali, uomo incluso. La conservazione di questo controllo genetico dello sviluppo dell occhio nella filogenesi degli organismi animali è stata dimostrata dal fatto che i geni, da un punto di vista funzionale, sono intercambiabili tra gruppi molto distanti tra loro, come insetti e mammiferi. Le scoperte di Gehring hanno rappresentato innovazioni fondamentali nel settore della zoologia e della biologia dello sviluppo, contribuendo in maniera essenziale alla formulazione di nuovi paradigmi per la comprensione dei meccanismi molecolari alla base della diversità e dell evoluzione degli organismi animali.

4 Geni homeobox e geni omeotici I due termini geni homeobox e geni omeotici vengono spesso utilizzati in maniera interscambiabile. In realtà il termine homeobox si riferisce ad una particolare sequenza di circa 180 pb altamente conservata che viene tradotta in un omeodominio di 60 aa. I geni omeotici sono invece quelli in grado di dare mutazioni omeotiche, cioè quelle mutazioni che vanno a sostituire completamente un organo con un altro (ad es. un'antenna con una zampa). Questa immagine mostra la formazione di occhi ectopici (i puntini rossi) su antenne e ali (foto a sinistra) e sulle zampe (foto a destra) di Drosophila dopo overespressione del gene omeotico eyeless. (da Gehring lab home page) Proteina HP1 Due gruppi di ricerca dell universita' La Sapienza di Roma, studiando il moscerino della frutta, hanno dimostrato che una proteina HP1 protegge da eventuali degenerazioni i telomeri. ''Strutture importantissime fondamentali per garantire la stabilita' dei cromosomi e coinvolte, con meccanismi molto complessi, nei processi di invecchiamento e di degenerazione tumorale delle cellule''. Dallo studio italiano risulta che la proteina HP1 e' essenziale per la formazione stessa dei telomeri, protegge i cromosomi durante il processo di divisione cellulare ed evita che la cellula si riproduca in modo scorretto scatenando tumori o invecchiamento precoce

5 Il gene 'fruitless' controlla i comportamenti sessuali del maschio della Drosophila La rivista Nature nel 2005 dà notizia che scienziati della Stanford University hanno identificato sessanta neuroni che sono i direttori d'orchestra del corteggiamento del maschio verso la compagna e la loro mancanza produce la perdita dei normali rituali dell'insetto. Senza di essi il moscerino diventa incapace di corteggiare e un pò brusco nell'approcciare la femmina, rinunciando a preliminari che la dispongono nei suoi confronti. Secondo uno degli autori della ricerca, Bruce Baker, queste informazioni potrebbero aiutare a comprendere meglio i meccanismi neurologici alla base della sessualità umana. Perché le Drosophile? Lo sviluppo rapido, un ciclo vitale breve, le dimensioni ridotte, la facile reperibilità, la facile manipolazione rendono questo organismo adatto per gli esperimenti. Attività sperimentale Allevamento delle Drosophile. Le Drosophile possono essere catturate facilmente in ambienti in cui è esposta della frutta o nelle cantine dove sta fermentando il mosto, oppure possono essere richieste a Bloomington Drosophila Stock Center at Indiana University Terreno per l allevamento Aggiungere 40 g di zucchero in 1.l di acqua e portare a ebollizione. Vengono quindi aggiunti 100 g di farina di mais e si lascia bollire per 20 minuti a fuoco moderato. Si aggiungono poi 50 g di lievito e si continua a cuocere per altri 10 minuti. A termine cottura si aggiungono 2 g di nipagina, un antimicotico, precedentemente sciolti in 10 ml di alcool etilico al 95%. Il terreno viene quindi versato negli opportuni recipienti e lasciato raffreddare e asciugare all aria. I recipienti possono essere dei bicchieroni di plastica trasparente e per chiusura si può utilizzare del tessuto usato per foderare i vestiti. Materiali: Alcuni contenitori in vetro o in plastica Una garza o cotone da fodera Un elastico Alcune capsule Petri La nipagina La farina di mais Lo zucchero Il lievito L alcool etilico Le prime e più semplici osservazioni possono essere effettuate sugli insetti adulti:

6 Per l osservazione degli insetti adulti è necessario narcotizzarli. Come addormentare i moscerini Possono essere usati diversi metodi: con CO 2 che può essere prodotta mediante reazione tra aceto e bicarbonato di sodio, oppure con etere etilico. Il metodo più semplice è quello con ghiaccio. Immergere i contenitori capovolti nel ghiaccio per alcuni minuti. È importante capovolgere i contenitori in modo che i moscerini cadano addormentati sul cotone e non sul terreno di coltura sul quale aderirebbero. Coprire il fondo delle capsule Petri con dischi di carta e porle in ghiacciaia a raffreddare. Versare sulle capsule di Petri fredde i moscerini addormentati. Dopo l osservazione riporre i moscerini nel contenitore senza farli cadere sul cibo Per queste osservazioni è sufficiente una lente d ingrandimento o il microscopio stereoscopico a piccolo ingrandimento. Dimorfismo sessuale La femmina è più grande del maschio. La parte distale dell addome del maschio è più arrotondata e scura. I genitali nei due sessi sono molto differenti, nel maschio sono presenti degli uncini copulatori e piccoli peli che circondano l'ano e i genitali. Il tarso delle zampe anteriori del maschio porta i pettini sessuali. morfologia del maschio e della femmina di Drosophila (Richardson R.)

7 Osservazione degli occhi E facile notare che quasi tutte le drosophile hanno gli occhi rossi I moscerini normali hanno, negli occhi, cellule pigmentate rossastre per assorbire l'eccesso di luce blu e non venire accecati dalla luce del giorno. Circa due terzi del cervello di Drosophila (circa neuroni) sono dedicati al processo visivo. Sebbene la risoluzione spaziale sia notevolmente minore di quella umana, la velocità della risposta visiva è quasi dieci volte maggiore.

8 Osservazione delle ali della Drosophila un fenomeno di diffrazione Le ali delle Drosophila possono battere fino a 250 volte al secondo. Il volo è essenzialmente composto di lunghi tratti lineari, intervallati da rapidi cambi di direzione chiamati saccade. Durante queste "svolte", è in grado di ruotare di 90 gradi in meno di 50 millisecondi. Drosophila, presenta nervi ottici collegati direttamente ai muscoli delle ali (mentre in altri insetti c'è in ogni caso un passaggio attraverso il cervello), rendendo se possibile ancora minore il tempo di reazione. Osservazione di altre strutture (proboscide e bilancieri) Osserviamo adesso più dettagliatamente che Il corpo è diviso in tre parti: Capo con un paio di antenne, occhi composti e ocelli e apparato buccale succhiatore lambente (proboscide ) Tronco con un solo paio d ali e tre paia di arti formati da cinque segmenti. Addome segmentato che porta l altro paio d ali trasformato in bilanceri che servono all insetto come elementi di stabilità e di direzione. proboscide addome con bilancieri bilanciere

9 osservazione delle mutazioni Le mutazioni nella Drosophila Le più semplici mutazioni che si possono osservare sono il colore degli occhi (bianchi) e le ali corte. occhi bianchi w 1118 Il ceppo porta una mutazione recessiva del gene white (cromosoma X). La proteina WHITE, assieme alle proteine BROWN e SCARLET, è responsabile del trasporto all interno degli ommatidi dell occhio dei pigmenti scarlatto e marrone che danno il tipico colore rosso mattone dell occhio di Drosophila. I mutanti w 1118 di conseguenza hanno gli occhi bianchi. ali corte CyO Questi individui portano una mutazione dominante, indotta mediante raggi X, del gene Curly. L anomala curvatura delle ali, in questi mutanti, è data da una ineguale contrazione degli epiteli superiore ed inferiore nel periodo di asciugatura delle ali che segue l emergenza dalla pupa. Tale mutazione è letale in omozigosi.

10 Osservazione della metamorfosi Il ciclo vitale di Drosophila melanogaster varia con la temperatura: è di sole 2 settimane a 25 C; la durata è circa doppia a 18 C. Depongono circa 400 uova (embrioni). Le uova, il cui diametro è di circa 0.5 millimetri, si schiudono dopo 24 ore dalla deposizione. Le larve risultanti crescono per 5 giorni. Poi le larve si trasformano in una pupa dove passano altri 5 giorni consumando il cibo accumulato per effettuare una metamorfosi, alla fine della quale emerge l'insetto adulto. Osservazione della larva e della pupa nella larva si notano gli spiracoli, in questo caso, interni e gli uncini buccali nella pupa gli spiracoli diventano esterni

11 Strutture interne (uncini buccali, trachea, spiracoli) Gli uncini buccali sono strutture cheratinose che servono per raccogliere il cibo e si trovano all interno dell apertura buccale situata in posizione ventrale al segmento cefalico. La trachea e gli Spiracoli sono strutture per la respirazione. Gli spiracoli sono interni nella larva ed esterni nella pupa. Osservazione degli uncini buccali e degli spiracoli della larva. Prelevare dalla coltura una grossa larva e porla su un vetrino portaoggetti. Con un ago, trattenerla al centro, posizionare l altro ago nella zona cefalica e tirare i due aghi in direzione opposta fino a strappare il capo e con esso gli organi interni. Aggiungere una goccia d acqua e coprire con il vetrino copri oggetti. Osservare con obiettivo 10X e 40x Nella zona cefalica si individua una macchiolina scura si tratta degli uncini buccali. Posteriormente alla zona cefalica si trovano gli spiracoli all estremità della trachea Uncini buccali spiracoli interni trachea e spiracoli Ghiandole salivari e corpi grassi Le ghiandole salivari devono assicurare un intensa sintesi proteica per poter produrre, in poco tempo, l involucro della pupa. Una intensa sintesi proteica corrisponde ad una intensa duplicazione del DNA. Il risultato è la presenza di cromosomi politenici. I corpi grassi sono un insieme di cellule con funzione di riserva. Osservazione degli altri organi interni (ghiandole salivari e corpi grassi) Prelevare dalla coltura una grossa larva e porla su un vetrino portaoggetti. Con un ago, trattenerla al centro, posizionare l altro ago nella zona cefalica e tirare i due aghi in direzione opposta fino a strappare il capo e con esso gli organi interni. Aggiungere una goccia d acqua e coprire con il vetrino copri oggetti.

12 Ghiandola salivare e corpi grassi Provando e riprovando individuare le ghiandole salivari in bianco e i corpi grassi in nero. ghiandola salivare Cromosomi politenici Drosophila melanogaster possiede due paia di 4 cromosomi politenici I cromosomi politenici sono cromosomi giganti originatisi da successive replicazioni del DNA (9-10) non seguite dalla separazione dei cromosomi figli. Si ottengono così cellule con il contenuto aploide di cromosomi politenici, ciascuno dei quali è

13 composto da quantità di DNA volte maggiori del normale. I cromosomi politenici sono tutti uniti in corrispondenza del cromocentro e presentano bande (scure) e interbande (chiare )regolari disposte trasversalmente lungo l'asse del cromosoma (nelle zone più scure la cromatina è maggiormente addensata e di conseguenza risulta poco o per nulla attiva dal punto di vista trascrizionale) al contrario, nelle zone più chiare,corrispondenti a DNA despiralizzato ed ancora di più in corrispondenza dei rigonfiamenti (detti puff), vi è una intensa attività trascrizionale. puffs dei cromosomi. Osservazione dei cromosomi Prelevare dalla coltura una grossa larva e porla su un vetrino portaoggetti. Con un ago, trattenerla al centro, posizionare l altro ago nella zona cefalica e tirare i due aghi in direzione opposta fino a strappare il capo e con esso gli organi interni..osservare con obiettivo a 10X. Individuare le ghiandole. Con due aghi separare le ghiandole dai corpi grassi, e isolarle. Aggiungere una goccia di reattivo di Schiff e tenere per 10 min. lavare con acqua. Porre il vetrino copri oggetti e schiacciare con la parte posteriore di una matita. La pressione applicata romperà le ghiandole e le membrane cellulari permettendo la liberazione dei cromosomi. Osservare al microscopio con obiettivo 10X e 40X. Ghiandola salivare 100X ghiandola salivare 400X

14 Cromosomi politenici 400X