La drosofila, o moscerino della frutta (Drosophila (Sophophora) melanogaster ) è un insetto dell'ordine dei Diptera. Si tratta di un organismo modello per la ricerca scientifica, in quanto è facilmente manipolabile e con un rapido ciclo vitale.
Aspetto fisico
Le drosofile hanno due occhi composti di color rosso mattone. Questo colore deriva dalla presenza di 2 pigmenti: Xantommatina di color marrone e Drosopterina, rossa. Il corpo è giallo-marrone con alcuni anelli neri trasversali sull'addome. Da questi anelli deriva il nome scientifico melanogaster (dal greco "melanos", nero e "gaster", ventre). È evidente il dimorfismo sessuale: le femmine sono lunghe 2,5 mm, mentre i maschi sono un po' più corti e la parte terminale del loro corpo è più scura. La principale differenza tra i due sessi (facilmente osservabile al microscopio) è il ciuffo di piccoli peli che circonda l'ano e i genitali del maschio.
Ciclo vitale
Se un organismo di Drosophila melanogaster è tenuto in condizioni ottimali a 25 °C, questo riesce a sopravvivere per circa 50 giorni dallo stadio di uovo sino alla morte. Il ciclo vitale (da uovo a adulto) invece è di circa 10-12 giorni; 22-24 se si alleva la drosofila a 18 °C. Le femmine possono deporre fino a 600 uova nell'arco della loro vita, sulla superficie di frutta o altri materiali organici. Le uova, la cui lunghezza è di circa 0,5 millimetri, sono cellule aploidi mononucleate.
Il liquido seminale maschile ha due effetti sulla femmina: il primo è aumentare la frequenza di uova deposte; il secondo è abbassare il desiderio sessuale nella femmina e prevenire così eventualmente l'accoppiamento con un altro maschio. Ciò nonostante, lo stesso sperma contribuisce anche a minare la salute della femmina abbassandone la durata della vita.Arnqvist G and Rowe L (2005) Sexual Conflict. Princeton University Press, Princeton New Jersey
Le uova feconde diploidi completano lo sviluppo embrionale nell'arco di sole 24 ore e si schiudono immediatamente dopo. Le larve risultanti crescono per 5-6 giorni, usando microorganismi che decompongono la frutta e gli zuccheri della frutta stessa per nutrirsi. Alla fine di questo periodo le larve si trasformano in pupe e, dopo circa 4 giorni, effettuano la metamorfosi, alla fine della quale emergono gli insetti adulti.
Le femmine si accoppiano dopo circa 12 ore dalla metamorfosi, accumulando lo sperma in alcune sacche per utilizzarlo a posteriori per fecondare le uova. I genetisti devono, quindi, separare le femmine dal resto della popolazione prima che abbiano la possibilità di accoppiarsi, in modo da essere certi che l'incrocio avvenga solo con il particolare tipo di maschio da utilizzare nell'esperimento. Femmine inseminate possono essere "ri-verginizzate" con una prolungata incubazione a -10 °C, uccidendo lo sperma (Ashburner et al. 2005).
Organismo modello La Drosophila melanogaster è un organismo modello, ovvero uno degli organismi più studiati nella ricerca biologica, in particolare nella genetica. I motivi sono molteplici: si tratta di un animale piccolo e facile da allevare in laboratorio; ha un ciclo vitale breve (circa 2 settimane) e una elevata produttività (fino a 600 embrioni); le larve mature mostrano cromosomi politenici nelle ghiandole salivari; hanno solo 4 paia di cromosomi: 3 autosomi e 1 sessuale; i maschi non mostrano ricombinazione genetica (crossing-over), facilitando gli studi genetici; tecniche di trasformazione genetica sono disponibili dal 1987; il sequenziamento del suo genoma è stato completato nel 1998; le mutazioni genetiche nella specie sono molto frequenti. A Charles W. Woodworth è riconosciuto il merito di essere stato il primo ad allevare esemplari di Drosophila e di aver suggerito a W. E. Castle, durante il suo soggiorno alla Harvard University, che essi potevano essere usati per ricerche genetiche. A partire dal 1910 i moscerini della frutta furono di aiuto a Thomas Hunt Morgan per compiere i suoi studi sull'ereditarietà. Morgan e colleghi estesero il lavoro di Mendel descrivendo i meccanismi ereditari legati al cromosoma X e dimostrando che i geni collocati su uno stesso cromosoma del maschio non mostravano ricombinazione genetica. Gli studi sulle caratteristiche collegate al cromosoma X hanno aiutato a confermare che i geni si trovano nei cromosomi, mentre altri studi sulle caratteristiche morfologiche di Drosophila hanno portato alle prime mappe che mostravano la localizzazione dei geni sui cromosomi. La prima mappatura dei cromosomi di Drosophila fu completata da Alfred Sturtevant.
Il genoma della Drosophila
La Drosophila ha 4 paia di cromosomi: una coppia X/Y e tre coppie autosomiche etichettate 2, 3, e 4. Il quarto cromosoma è così corto che è spesso ignorato. Il genoma, che è stato interamente sequenziato, contiene 132 milioni di basi e approssimativamente 13.767 geni, tra questi ad esempio vi sono: Antennapedia (gene che controlla la formazione delle zampe durante lo sviluppo) La lunghezza delle antenne (Lunghe/Corte) La forma delle ali (Lunghe/Ridotte) La forma delle zampe (Lunghe/Ridotte) Il colore degli occhi (Rossi/Porpora/Marroni)
Somiglianze con la specie umana
Da un punto di vista genetico l'uomo e il moscerino della frutta sono abbastanza simili. Geni omologhi a quelli che causano circa il 60% delle malattie genetiche umane conosciute si possono verificare nel patrimonio genetico del moscerino, e circa il 50% delle proteine della Drosophila hanno un analogo nei mammiferi. La Drosophila viene usata come modello genetico per varie malattie umane, inclusi i disturbi neurodegenerativi come la sclerosi laterale amiotrofica, la malattia di Parkinson, la corea di Huntington e la malattia di Alzheimer. La mosca viene utilizzata anche per studiare i meccanismi biologici alla base del sistema immunitario, del diabete, del cancro, dell'intelligenza, dell'invecchiamento e persino dell'abuso di sostanze stupefacenti.
Nomenclatura genetica
I geni di D. melanogaster spesso prendono li nome dalla descrizione del fenotipo prodotto dal suo cattivo funzionamento (mutazione). Quelli che prendono il nome da tratti recessivi hanno l'iniziale minuscola, mentre nel caso di tratti dominanti hanno l'iniziale maiuscola. I geni che prendono il nome dalla proteina prodotta hanno l'iniziale maiuscola. I nomi dei geni sono solitamente scritti in corsivo.
Nella comunità dei biologi molecolari la nomenclatura genetica della Drosophila è nota per i nomi fantasiosi associati alle mutazioni genetiche scoperte. Le mutazioni del lievito di birra o di altri organismi, microscopici e non, hanno solitamente nomi come "cdc4" e "cdk4"; nella Drosophila invece sono frequenti nomi come "cheap date" (letteralmente "appuntamento economico", una mutazione che rende il moscerino più sensibile all'effetto dell'etanolo) o "snafu" (una mutazione che provoca anomalie anatomiche grottesche).
Sviluppo ed embriogenesi
L'embriogenesi nella Drosophila è stata studiata molto approfonditamente. La piccola dimensione, il ciclo di vita molto breve e la grande quantità di prole tipici di questa specie ne fanno un campione ideale. È anche l'unico fra gli organismi modello in cui la suddivisione dell'ovulo fecondato comincia in un'unica cellula sinciziale.
Durante l'ovogenesi, l'ovocita in formazione è connesso alle cellule nutrici da ponti citoplasmatici. Sostanze nutrienti e altre molecole che controllano lo sviluppo possono così essere trasferite nell'ovocita.
Nella figura si può vedere come l'ovocita in formazione venga rivestito da cellule follicolari di supporto. Circa 5000 nuclei cellulari si ammassano nel citoplasma indiviso dell'ovocita prima che inizi la loro migrazione verso la superficie e ciascuno venga avvolto da un'invaginazione della membrana plasmatica per formare le cellule che rimangono a circondare il sacco del tuorlo nel centro. Poco dopo la linea germinale si separa dalle cellule somatiche, attraverso la formazione di cellule polari nell'estremità posteriore dell'embrione.
La divisione cellulare nei primi stadi dell'embrione di Drosophila avviene tanto rapidamente che non esistono fasi distinte, per cui possono verificarsi errori nella divisione dei cromosomi. Per risolvere questi difetti, i nuclei che commettono tali errori si staccano dai loro centrosomi e rimangono nel centro dell'embrione, che non entrerà a far parte della larva e dell'insetto adulto.
La definizione degli assi antero-posteriore e dorso-ventrale avviene secondo un meccanismo definito specificazione sinciziale, in cui gradienti di mRNA materni, introdotti nell'oocita dalle cellule nutrici, definiscono gli assi del corpo prima ancora che l'oocita venga fecondato; in particolare gli mRNA materni trascritti dai geni nanos e bicoid creano il gradiente morfogeno che specifica le strutture anteriori (bicoid) e quelle posteriori (nanos).
Le proteine prodotte dalla traduzione di questi mRNA materni agiscono come fattori di trascrizione attivando i geni zigotici. I primi geni zigotici ad essere trascritti sono la classe dei geni gap, il cui nome deriva dal fatto che la loro mutazione provoca la perdita di vari segmenti nella larva del moscerino. I più importanti geni gap sono hunchback, kruppel, giant, knirps e tailless ognuno dei quali, in base a gradienti di concentrazione degli mRNA materni, è espresso solo in determinate regioni lungo l'asse antero/posteriore dell'embrione di Drosophila dividendolo in unità distinte.
Combinazioni opportune delle proteine gap sono in grado di attivare specifici enhancer di promotori modulari dei geni della regola pari primari i quali vengono quindi espressi a intervalli regolari in sette strisce lungo l'asse antero-posteriore andando così a delineare un pattern di 14 zone discrete definite parasegmenti. La caratteristica principale di questa classe di geni è che alcuni di essi saranno espressi solo nei parasegmenti dispari mentre altri solo nei parasegmenti pari. Tali geni sono inoltre importanti per determinare il pattern di espressione dei geni della regola pari secondari: questi sono espressi inizialmente in tutto l'embrione ma, a seguito dell'espressione dei geni della regola pari primari, la loro espressione sarà limitata a quei parasegmenti dove questi ultimi non sono espressi, in quanto le proteine prodotte dai geni della regola pari primari sono in grado di legare gli enhancer dei geni della regola pari secondari e regolarne negativamente l'espressione.
Una volta che i geni della regola pari sono espressi, questi ultimi attivano i geni della polarità segementale i quali definiscono il lato anteriore e posteriore di ogni parasegmento. In particolare, nei 14 parasegmenti formati, le file di cellule che mostrano un'alta concentrazione di prodotto genico dei geni della regola pari cominciano ad esprimere il gene della polarità segmentale chiamato engrailed che definisce il confine anteriore del parasegmento; a sua volta engrailed agisce come fattore di trascrizione facendo esprimere il gene hedgehog il cui prodotto, venendo secreto dalle cellule, va ad interagire con il recettore cellulare posto sulla fila di cellule anteriore a quelle esprimenti engrailed. Ciò attiva una via di segnalazione intracellulare che permette di esprimere un altro gene della polarità segmentale chiamato wingless che definisce il confine posteriore del parasegmento. Il prodotto di Wingless a sua volta viene secreto ed interagisce con il recettore frizzled della fila di cellule esprimenti engrailed. Frizzled induce un via di segnalazione intracellulare che induce ulteriore espressione di engrailed chiudendo il circuito. Grazie a tale sistema, anche a seguito di cessato stimolo da parte dei geni della regola pari, questo circuito può automantenersi definendo in modo definitivo i confini di ogni parasegmento.
Geni omeotici