Organizmy modelowe w genetyce

Anita Stożek

Wszystkie komórki wywodzą się od tej samej prakomórki, ich podstawowe właściwości zostały zachowane w trakcie przebiegu procesu ewolucji, a zatem wiedza wypływająca z badań jednego organizmu, znacząco przyczynia się do lepszego zrozumienia innych organizmów, nie wykluczając oczywiście naszego własnego organizmu. Co więc decyduje o tym, że niektóre organizmy nadają się lepiej od innych do badań laboratoryjnych? Jakie korzyści z badań przeprowadzanych na organizmach modelowych czerpie współczesna nauka, a także medycyna?


Co to są organizmy modelowe?

Organizmy modelowe (ang. model organism) to gatunki, które w wyniku intensywnie przeprowadzanych badań przyczyniają się do lepszego zrozumienia różnych aspektów biologii. W szczególności organizmy modelowe są powszechnie wykorzystywane w celu odkrywania potencjalnych przyczyn i możliwych sposobów leczenia różnych chorób np. kiedy badania na organizmach ludzkich nie są możliwe przede wszystkim ze względów etycznych. Organizmy modelowe wybierane są w oparciu o pewne szczególne cechy, wśród których najważniejszą jest duża podatność na różne eksperymentalne manipulacje. Obok tych cech należy wymienić także:

  • Małe rozmiary i łatwość hodowli w warunkach laboratoryjnych,
  • Krótki cykl życiowy,
  • Szybkie rozmnażanie, a także duża liczba potomstwa.

Wśród organizmów modelowych znajdują się m.in.:

Procaryota:

  • Escherichia coli- bakteria

  • Bacillus subtilis- bakteria

Eucaryota:

  • Drosophila melanogaster- muszka owocowa

  • Caenorhabditis elegans- nicień

  • Danio rerio– danio pręgowany

  • Xenopus laevis- żaba szponiasta

  • Myszy laboratoryjne
  • Rattus norvegicus - szczur wędrowny

  • Capia porcelus – świnka morska

  • Macaca mulatta- rezus

  • Arabidopsis thaliana- rzodkiewnik pospolity

  • Zea mays– kukurydza

  • Oryza sativa- ryż siewny

Grzyby:

  • Saccharomyces cerevisiae- drożdże

  • Aspergillus nidulans- kropidlak

Krótka charakterystyka wybranych organizmów modelowych.

Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster- (ang. fruit fly), muszka owocowa. Jest to niewielki owad mierzący zaledwie 2-3mm, należący do rzędu muchówek. Nazwa ‘muszka owocowa’ pochodzi stąd, iż owada tego można spotkać w pobliżu drzew owocowych, gdzie żywi się rozkładającymi się resztkami owoców. Przywabiają go także zapachy octu, wina, dżemu oraz innych przetworów owocowych. Natomiast łacińska nazwa oznacza dosłownie- ‘czarnobrzucha miłośniczka miodu’.

Systematyka Drosophila melanogaster

Typ

Stawonogi

Gromada

Owady

Podgromada

Uskrzydlone

Rząd

Muchówki

Rodzina

Wywilżankowate

Rodzaj

Drosophila

Tabela 1. Systematyka Drosophila melanogaster

Genom muszki owocowej został w całości zsekwencjonowany i opublikowany w 2000 roku na łamach „Nature”.

D. melanogaster posiada 4 pary chromosomów w tym: 3 chromosomy autosomalne oraz 1 parę chromosomów płciowych. W śliniankach larw tego owada znajdują się chromosomy politeniczne (chromosomy olbrzymie), które powstają w wyniku wielokrotnych replikacji chromosomowego DNA, po których nie zachodzą podziały komórkowe. Chromosomy politeniczne mogą osiągać rozmiary ok. 200 razy większe niż normalne chromosomy danego organizmu. Wykazują charakterystyczne prążkowanie (czarne i białe prążki) po odpowiednim wybarwieniu. Czarne prążki pokrywają się z nieaktywną chromatyną, natomiast białe są zwykle miejscem charakteryzującym się wzmożoną aktywnością transkrypcją. W obrębie chromosomów olbrzymich obserwuję się występowanie charakterystycznych zgrubień określanych jako pufy lub pierścienie Balbianiego. Pufy są miejscem intensywnej syntezy RNA. Chromosomy politeniczne są szczególnie ważne w badaniach cytogenetycznych, w badaniach nad aktywacją genów, a także w tworzeniu map chromosomowych. Drosophila melanogaster jest używana jako organizm modelowy w kilku chorobach neurodegeneracyjnych takich jak: choroba Parkinsona, choroba Huntingtona, ataksja czy też w choroba Alzheimer’a. Ponad to muszka owocowa wykorzystywana jest bo badań mechanizmów leżących u podłoża systemu immunologicznego, a także rozwoju nowotworów.

Typ dziki muszki owocowej posiada czerwone oczy oraz żółto –brązowy kolor ciała, na końcu odwłoka występują charakterystyczne okręgi- prążki. Wzór prążkowania jest charakterystyczny dla danej płci- i tak samica jest większa (ok.2.5mm długości) oraz ma kilka zauważalnych prążków na końcu odwłoka, natomiast samiec jest trochę mniejszy, a koniec odwłoka jest przyciemniony, co można zaobserwować na poniższym rysunku.

''Drosophila melanogaster''

Rysunek 1. Drosophila melanogaster

Mutacje występujące u Drosophila melanogaster

Mutacje występujące u Drosophila melanogaster mogą dotyczyć zmiany struktury skrzydeł, koloru oczu, koloru odwłoka, a także różnie ukształtowanej głowy.

''Drosophila melanogaster''

Rysunek 2. Mutacje u Drosophila melanogasteropis mutacji w tekście poniżej

A. Muszka normalna – typ dziki

B. Muszka z mutacją powodującą wystąpienie skróconych skrzydeł – gen, w którym występuje ta mutacja zlokalizowany jest na 2 chromosomie, muszki nie mogą latać.

C. Muszka z mutacją ‘yellow’- muszki mają żółte zabarwienie ciała, mutacja występuje w genie zlokalizowanym na chromosomie X

D. Muszka z mutacją ‘ebony’- muszki mają ciemne, prawie czarne ciało.

E. Muszka z mutacją powodującą zmianę koloru oczu na biały, co wywołane jest mutacją w genie warunkującym produkcję czerwonego barwnika (u muszek typu dzikiego)

F. Muszka z mutacją na skutek, której nie rozwijają się oczy, mutacja występuje w genie, który warunkuje rozwój oczu już w fazie larwalnej.

G. Muszka z mutacją ‘antennapedia’, mutacja ta powoduje, że zamiast czułek na głowie rozwijają się dodatkowe odnóża

Caenorhabditis elegans

Caenorhabditis elegans- (z ang. roundworm)to wolno żyjący nicień, długości ok. 1mm, można go spotkać w glebie klimatu umiarkowanego. C. elegans ma robakowate ciało, bez segmentacji, wykazujące symetrie.

''C. elegans''

Rysunek 3. C. elegans

Głównym pokarmem nicienia są różne organizmy. W warunkach laboratoryjnych głównym pokarmem C. elegans są szczepy bakterii E. coli (inny organizm modelowy). Nicień ten może być hodowany na pożywkach płynnych lub stałych na szalkach Petriego. W temperaturze 20 stopni Celsjusza żyje ok. 2-3 tygodni, co jest wykorzystywane do badań nad procesami starzenia. W każdej komórce znajduje się 5 par chromosomów autosomalnych oraz 1 para chromosomów płciowych. Osobniki męskie mają tylko 1 chromosom (XO) i stanowią ok. 0,05% populacji. Natomiast formą dominującą są osobniki hermafrodytyczne (obojnacze), posiadające parę chromosomów płciowych (XX). C.elegans posiada układ nerwowy, pokarmowy, mięśniowy. Szybko się rozmnaża – powstanie nowego pokolenia wymaga zaledwie ok. 4dni. W trakcie rozwoju osobniczego występuje postać larwalna, w trakcie której wyróżnia się 4 stadia (L1-L4), które wyznaczone są kolejnymi linieniami. Po przejściu okresu larwalnego osobniki dojrzewają i są zdolne do rozrodu. C.elegans ma przeźroczyste ciało, dlatego możliwe jest śledzenie losów rozwojowych i różnicowania się każdej komórki tego organizmu przy użyciu mikroskopu. Dorosły osobnik hermafrodytyczny posiada 959 komórek, a dorosły osobnik męski 1031 komórek. Ponad to C.elegans jest odporny na niskie temperatury, a także zamrażanie (łatwość przechowywania poszczególnych szczepów laboratoryjnych) zachowując jednocześnie zdolność do rozmnażania. Ogromna zaletą tego nicienia jest również fakt, że jest to stosunkowo prosty eukariotyczny organizm wielokomórkowy, na którym można prowadzić badania na poziomie molekularnym. W oparciu o dokładną znajomość układu nerwowego (mała ilość neuronów- 302), naukowcy mieli możliwość poznania kilku mechanizmów odpowiedzialnych za procesy takie jak: termotaksja, chemotaksja, a także niektóre zachowania rozrodcze. C.elegans był pierwszym organizmem modelowym- wielokomórkowym, którego genom został zsekwencjonowany i w całości opublikowany w 2002 roku. C.elegans jest wykorzystywany w badaniach nad mejozą oraz w badaniach wpływu nikotyny na organizm ludzki, szczególnie w przypadkach nagłego odstawienia nikotyny.

W 2002 roku Sydney Brenner, H.Robert Horvitz oraz John Sulston otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za pracę nad biologią rozwoju oraz programowaną śmiercią komórek. W 2006 roku Andrew Fire i Craig C.Mello również zostali uhonorowani tą nagrodą tym razem w dziedzinie fizjologii za pracę nad procesem interferencji RNA u C.elegans.

''C. elegans'' jako organizm modelowy

Rysunek 4. C. elegans jako organizm modelowy

Xenopus laevis

Xenopus laevis (z ang. African clawed frog) żaba szponiasta znana także jako platana. Nazwa tej żaby wywodzi się stąd, iż posiada ona trzy krótkie szpony na każdej kończynie tylnej, których używa by ukryć się w mule przed drapieżnikami. Jest gatunkiem pochodzącym z południowej Afryki. Osiąga długość ok. 12 cm ( samce są mniejsze ok. 8cm). Ma spłaszczoną głowę oraz tułów. Ubarwienie zazwyczaj jasnobrązowe, na którym występują nieregularne brązowe plamy różnej wielkości. Formy albinotyczne są często hodowane w domowych akwariach. Żaba szponiasta żyje od 5 – 15 lat ale niektóre dożywają nawet 30 lat.

''Xenopus laevis''

Rysunek 5. Xenopus laevis

Chociaż Xenopus laevis nie posiada krótkiego cyklu życiowego ani też nie jest prostym organizmem to jednak jest bardzo ważnym organizmem modelowym w zwłaszcza w biologii rozwoju. Xenopus laevis potrzebuje od 1-2 lat aby osiągnąć dojrzałość płciową. Jest tetraploidem i dostarcza duże oraz łatwe do manipulacji genetycznych zarodki. Wstrzyknięcie DNA do oocytów jest jedną z metod badań transkrypcji genów umożliwiającym np. badanie selektywnej regulacji inicjacji transkrypcji. Ponad to można doprowadzić do zablokowania translacji białek, a także modyfikować spicling pre-mRNA za pomocą nastrzykiwania morfiną oocytów albo zarodków na wczesnym etapie rozwoju embrionalnego. Płaz ten odegrał znaczącą rolę w historii medycyny. Był on wykorzystywany jako zwierzę laboratoryjne. Żaba szponiasta służyła do przeprowadzania testów ciążowych zanim odkryto nowoczesne metody wykrywania ciąży. Młodą żabę, która jeszcze nie składa jaj nastrzykiwano moczem kobiety, którą podejrzewano iż jest w ciąży. Jeżeli żaba do kilku godzin po nastrzyknięciu składała jaja oznaczało to, że kobieta spodziewa się dziecka. Zjawisko to było wywoływane obecnością w moczu kobiet hormonu gonadotropiny kosmówkowej (z ang. human Chorionic Gonadotropin; hCG). Dzisiaj hormon ten wykorzystuje się w celu wywołania kojarzenia się w pary oraz składania jaj przez osobniki znajdujące się w niewoli niezależnie od pory roku.

Podsumowanie

Fundamentem rozwoju nauk biologicznych i technologii jest wkładanie wysiłku m.in. w zrozumienie mechanizmów i procesów leżących u podłoża szeroko rozumianych dolegliwości ludzkiego organizmu. Użyteczność takich organizmów, wśród których można wymienić: Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis elegant, Drosophila melanogaster, Xenopus laevis, Arabidopsis thaliana, myszy laboratoryjne oraz wiele innych organizmów modelowych osiągnęła wysoki stopień zaawansowania. Przyczyniło się do poszerzenia wiedzy na temat wielu skomplikowanych procesów metabolicznych, procesów związanych ze starzeniem się organizmów czy też identyfikacji genów odpowiedzialnych za różne neurologiczne dysfunkcje, nowotwory, a także niepłodność, dając jednocześnie szansę na opracowanie odpowiedniego sposobu leczenia.

Bibliografia

Rys. 1 A i B - http://species.wikimedia.org/wiki/Drosophila_melanogaster

Rys. 2 - http://www.exploratorium.edu/exhibits/mutant_flies/mutant_flies.html

Rys. 3 - http://www.newsdesk.umd.edu/scitech/release.cfm?ArticleID=1242

Rys. 4 - http://nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2002/illpres/

Rys. 5 A - http://www.iscr.ed.ac.uk/news/press-releases-2006may15.htm

Rys. 5 B - http://www.xenopus.com/products.htm

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Model_organism

2. http://en.wikipedia.org/wiki/Drosophila_melanogaster

3. http://aneksy.pwn.pl/biologia/1468903_1.html

4. http://pl.wikipedia.org/wiki/Caenorhabditis_elegans

5. http://main3.amu.edu.pl/~robsob/elegans/badania/jsp/elegans.html

6. http://szukaj.wp.plww.terrarium.com.pl/zobacz/xenopus-laevis-zaba-szponiasta-141.html

7. Podstawy biologii komórki tom1, Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter, Tłumaczenie: Pod red. Hanny Kmity i Przemysława Wojtaszka, Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa, 2007

Kategorie: Genetyka

Articles: Stozek07 (last edited 2011-02-15 23:04:46 by localhost)