Drosophila melanogaster

Morgan’ın 1910 yılında D. melanogaster ile deney yapmaya başlamasıyla birlikte bu sinekler, kalıtım deneyleri açısından bilim çevresinin en gözde objesi olmuşlardır. Kolay yetiştirilmeleri, hızlı çoğalmaları, sayıca az kromozom taşımaları, mutasyonlaşmaya yatkın olmaları ve mutasyonların oldukça kolay saptanması, bunların iyi bir deney hayvanı olmasını sağlamıştır. İnsandan daha fazla ve daha iyi incelenmiş tek hayvan belki de bunlardır. Larvalarının tükürük bezlerindeki dev kromozomların analizi çok değerli bilgiler vermiştir. Göz rengi ve şekli, vücut rengi, kanat şekli ve kanat büyüklüğü ve kılların dizilimi ile ilgili mutasyonlar en çok kullanılanlarıdır.

Şekil 1. Drosophila melanogaster

Çiftleştikten 24 saat sonra dişiler yumurtlamaya başlar. Birkaç gün içerisinde 400 yumurta bırakırlar. Hemen açılan yumurtalardan çıkan larvalar 5-10 günde pupa olurlar. Pupa evresi 3-11 gün sürer. Bu durumda uygun koşullarda bir döl süresi 10 gündür. Döllenmiş bir dişiden kural olarak 30 günde 16 milyon birey meydana gelir.

Tablo 1. Drosophila melanogaster‘in bilimsel sınıflandırması

       Özellikle kalıtım ve gelişim biyolojisi çalışmalarında en çok kullanılan model organizmaların başında gelir. Çünkü;

• Yetiştirilmesi kolay ve ucuzdur.
• Gelişme süreleri kısadır.
• Üretkenliği çok yüksektir.
• Dişi erkek ayrımı kolaylıkla yapılabilir hatta bakire dişileri belirlemekte mümkündür. Böylece hassas çaprazlama yapmak mümkündür.
• Hem genleri hem de proteinleri açısından insanlara benzerlik gösterir (%75 gen, %60 protein).
• Sadece dört çift kromozomu vardır (3 otozom, 1 gonozom).
• Larvalarında gen aktivitesinin, Puff bölgeleri ile izlenebildiği politen kromozomlar olarak isimlendirilen büyük kromozomlar vardır.
• Erkek bireylerde mayotik rekombinasyon gözlenmez, bu da genetik çalışmaları kolaylaştırır.
• 2000 yılında tüm genomunun dizilimi belirlenmiştir.
• Fenotipik olarak basit morfolojik karakterlerle ayırt edilebilen çok sayıda mutant soy içerir. Bu durum da özellikle Mendel genetiği çaprazlamalarının kolaylıkla yapılabilmesini sağlar.
• Drosophilalar eterle kolayca bayıltıldıklarından üzerlerinde çeşitli incelemeler yapılması Drosophila’nın genetik çalışmalarda kullanılması için uygundur.

Drosophila melanogaster’in Vücut Yapısı ve Hayat Döngüsü

Embriyonik gelişim dönemi döllenme ile başlar ve sonunda embriyonun larva olarak yumurta kabuğundan dışarı çıktığı ana kadar sürer. Daha sonra larva, eski dış kütikül tabakanın dökülerek daha genişinin yapıldığı deri değiştirme olaylarıyla birbirinden ayrılan üç devre geçirir. Üçüncü evrenin sonunda pupa oluşur. Pupanın içinde metamorfoz işlemi olarak adlandırılan, kökten bir vücut değişimi meydana gelir. Sonunda, döllenmeden yaklaşık dokuz gün sonra erişkin ya da imago ortaya çıkar.

Şekil 2. Drosophila melanogaster’ın hayat döngüsü

Embriyonik Dönem

Yumurtanın döllenmesi ile başlayan ve genç larvanın çıkışıyla son bulan evredir. Gelişim tek bir döllenmiş yumurtayla başlar ve farklı gelişimsel sonları olan hücreleri ortaya çıkarır. Olgun bir yumurtanın içinde, döllenmesinden önce özel moleküler gradiyantlar kurulur. Kuyruk ucu polar sitoplazma denen bir bölgenin varlığı ile gösterilir. Döllenmeden sonra iki çekirdek, yumurtanın yaklaşık ortasında yer alır. İki çekirdek 2n zigot çekirdeğini oluşturmak için kaynaşır. İlk dokuz bölünme boyunca yalnızca çekirdekler ortak bir sitoplazma içinde bölünür ve böylece sinsitiyum denilen çok çekirdekli yapı oluşturulur. Arkasından geri kalan çekirdekler göçer ve yumurta yüzeyinde bir katman oluşturmak üzere bölünerek sinsitiyal blastomeri meydana getirir. Sonraki dört bölünme arkasından, çekirdeklerin çevresinde zarlar oluşur ve somatik hücreler meydana getirilir.

       Vücut yapılarının izleyen gelişimi iki olaya bağlıdır.

1. Moleküllerin iki gradiyenti oluşur; birisi yumurtanın anterior-posterior ekseni boyunca, 

2. Geç embriyoda segmentler denen bölgeler saptanır ve embriyonun anterior-posterior ekseni boyunca uzun bantlı bir örüntü oluşur. Embriyonik segmentler, önce larvanın ve sonra da ergin sineğin birbirine karşılık olan segmentlerinin gelişmesini sağlar.

Hücre oluşumundan sonra hücre bölünmeleri geleneksel biçimiyle eş zamanlı olmayan bir şekilde ve daha yavaş hızda devam eder. Hücreleşmenin bitmesinden önce embriyonun dış kısmını oluşturan hücre katmanının bir kısmı; beslenme kanalı gibi ilgili dokuları oluşturmak için içeri doğru sokulmaya başladığında gastrulasyon başlar. Kısa bir süre sonra embriyonun başka bölgesinde bulunan bir hücre kümesi merkezi sinir sistemini oluşturmak üzere yüzey epitelinden içeri girer. Gastrulasyon tamamlanmaya yaklaştıkça -embriyo yüzeyinde- vücudun alt bölmeleri anteroposterior eksen boyunca girintili çıkıntılı görünmeye başlar. Kısa süre sonra larva oluşur. Larva vücudunda imge diskleri denilen yapıları oluşturur. Larva geliştikçe bu disklerde gelişir.

Post Embriyonik Dönem

Genç larvanın yumurtadan çıkmasıyla başlar ve ergin birey oluşana kadar devam eder. Hayat devri larva, pupa ve imago olmak üzere üç safhaya ayrılır. Larva iki kere deri değiştirir. Drosophila’nın hayat devrinin süresi, ortamın sıcaklığına bağlı olarak değişir. Hayat devri, 25 °C de yaklaşık 10 gün, 20 °C de 15 günde tamamlamaktadır.

Tablo 2. Drosophila melanogaster‘in 25°C’de yaşam döngüsü

       Drosophila’nın embriyo gelişimini kontrol eden genler;

1. Maternal etkili genler: Ürünleri (mRNA ve protein) oogenez sırasında gelişmekte olan yumurta içinde depolanan genlerdir.

2. Zigotik genler: Zigotun kendi gelişimini sağlayan genlerdir. Embriyoyu birçok segmente bölen, büyüklüğünü, sayısını tayin eden genlere de segmentasyon genleri denir. Bu genler segmentlerin ve parasegmentlerin orijinini ve son durumunu belirler.

Embriyonun Genetik Analizi

Drosophila’da anatomik gelişimle ilgili bilgiler faydalı olmasına rağmen, genetik analizler embriyo oluşumu ile ilgili olaylar hakkında daha önemli bilgiler sağlamıştır. Embriyo gelişimini kontrol eden genler iki tiptedir. Maternal etkili genler (anneden gelen etkin genler) ve zigotik genler. Maternal etkili genlerin ürünleri (mRNA ve proteinler) oogenez sırasında gelişmekte olan yumurta içinde depolanırlar. Bu ürünlerin çoğu gradiyant şeklinde dağılır ya da yumurta sitoplazmasının belirli bölgelerinde yoğunlaşırlar. Maternal etkili genlerin zararlı mutasyon taşıyan dişi sinekler kısırdır, çünkü çekinik bir mutasyon homozigot dişi embriyolarının hiçbiri annelerinden yabanıl tip gen ürünlerini alamazlar dolayısıyla anormal olarak gelişirler. Drosophila’da maternal etkili bu genler transkripsiyon faktörlerini, reseptörleri ve translasyonu kontrol eden proteinleri kodlar. Embriyonik gelişim sırasında bu gen ürünleri zigot genomunun ifadesini geçici veya kalıcı şekilde aktive eder ya da baskılar. Zigotik genler embriyoda ifade olur ve bu nedenle döllenmeden sonra transkripsiyona uğrarlar. Zararlı mutasyonlar taşıyan bu sınıftaki sinek fenotipi, embriyonik letalite (embriyo ölümü) sergilemektedir. Çekinik zigot mutasyonu için heterozigot olan iki sineğin çaprazlaması sonucu embriyoların dörtte biri (homozigotlar) normal olarak gelişemez ve ölür. Drosophila’da zigotik genlerin pek çoğu, maternal etkili proteinlerin dağılımına bağlı olarak embriyonun özgül bölgelerinde transkripsiyona uğrarlar.

Şekil 3. Drosophila larvasının görüntüsel diskleri ve bu disklerden oluşan ergin yapı

Gelişimi kontrol eden zigotik genler hakkında bildiklerimiz, Christiane Nüsslein-Volhard ve Eric Wieschaus‘un, embriyonik gelişimi etkileyen mutasyonları sistematik olarak taramasını yaptıkları mutasyon analizi çalışmalarından elde edilmiştir. Bu araştırmacılar dış anatomik yapılarında bozukluklara neden olan çekinik embriyonik öldürücü mutasyonları araştırmak için mutasyona uğratılmış sineklerin binlerce ölü döllerini incelemişlerdir. Dolayısıyla ebeveynler bu mutasyonlar için taşıyıcıdır ve üç grupta sınıflandırılmıştır: Boşluk (gap), çift-kural (pair-rule) ve segment polarite genleri. Bu iki araştırmacı, 1980’de yayınladıkları bir makalede, embriyonik gelişim maternal etkili gen ürünlerinin oluşturduğu moleküler tabakalanma (gradiyent) tarafından başlatıldığını ön gören bir model öne sürdüler. Embriyonun ön arka ekseni boyunca oluşan moleküler tabakalanmada yer alan bilgi iki zigotik gen seti tarafından yönlendirilir:

1. Bunlar, tarama çalışmalarında saptadıkları-boşluk, çift–kural ve segment polarite genleri olup, genellikle segmentasyon genleri olarak adlandırılır (bu genler, embriyoyu birçok şerite veya segmente böler ve her segmentin polaritesini, büyüklüğünü ve sayısını tayin eder)
2. Her bir segmentin özelliğini ve kaderini belirleyen homeotik genlerdir. Gelişim süreci, oogenez sırasında yumurtaya yerleştirilen ve ön arka eksenin oluşumundan sorumlu maternal etkili gen ürünlerinin döllenmeden hemen sonra aktif hale geçmesi ile başlar. Bu genlerin aktivitesi, ön ya da arka yapıları oluşturmak üzere hücreleri sınırlandırır. Bu moleküler tabakadaki gen ürünleri gap genlerinin transkripsiyonunu aktive eder ve embriyonun sınırlı sayıda geniş bölgelere bölünmesini sağlar. Boşluk (gap) proteinleri transkripsiyon faktörleridir ve bunlar ürünleri, embriyoyu yaklaşık iki segment genişliğinde daha küçük bölgelere ayıran çift kural genlerini aktive eder. Tüm gap genlerinin birlikte hareketi segment sınırlarını belirler. Sonra çift kural genleri, segmentleri ön ve arka bölgelere ayıran segment polarite genlerini aktive eder. Ön arka ekseni oluşturan maternal genlerle segmentasyon genlerinin birlikte hareketi homeotik (Hox) genlerinin hareket alanını tayin eder. İkinci tarama çalışmasında, Drosophila’da embriyonik gelişimi kontrol eden yaklaşık 40 tane maternal etkili genin ve 50-60 tane zigotik genin olduğunu tahmin ettiler. Bu sonuç, normal bir embriyogenezin yaklaşık 100 adet gen tarafından kontrol edildiği anlamına gelir, döllenmiş bir yumurtadan oluşan yapıların karmaşıklığı düşünüldüğünde bu sayı şaşırtıcı derecede azdır.

Zigotik Genler Drosophila’da Segment Oluşumunu Programlar

Zigotik genler maternal etkili gen ürünleri tarafından tabakalanmadaki yerlerine göre aktive olur ya da baskılanır. Üç gen kümesi embriyoyu anterior-posterior ekseni boyunca bir seri segmentlere böler. Bu segmentasyon genleri gelişen embriyoda transkripsiyona uğrar ve bu genlerin mutasyonları embriyonik öldürücü fenotiplere sahiptir.

Yirmiden fazla segmentasyon gen bölgesi tayin edilmiştir. Bunlar, mutant fenotiplere göre adlandırılır:

1. Boşluk (gap) genleri bir grup komşu segmentin ortadan kalkmasına neden olurlar.

2. Çift-kural genleri segmentleri birer atlayarak etkilerler ve etkiledikleri segmentin özgül bir bölgesini çıkarırlar.

3. Segment polarite genleri her bir segmentin homolog kısımlarında bozulmalar oluşturur.

Boşluk (Gap) Genleri

Gap genlerinin transkripsiyonu, maternal tabakalanma sistemindeki diğer genler ve anterior–posterior ekseni boyunca daha önce ifade edilmiş gen ürünleri tarafından aktive olur veya baskılanır. Bu genler mutasyona uğrarsa, embriyonun segmentasyon profilinde büyük boşluklar ortay çıkar. Hunchback mutantlarında göğüs ve karın yapıları kaybolmuştur. Krüppel mutantlarında göğüs ve karın yapıları, Knirps mutantlarında ise karın kısmının büyük bir bölümü kaybolmuştur. Gap genlerinin transkripsiyonu embriyoyu geniş bölgelere böler (baş, karın ve göğüs gibi). Bu bölgeler içinde farklı gen aktivitesi kombinasyonları, hem segment oluşturacağı tipin hem larvanın, pupanın ve erginin vücut segmentlerinin uygun sırasını belirler. Bugüne kadar, klonlanan tüm gap genlerinin çinko parmak DNA bağlanma motifindeki transkripsiyon faktörlerini şifreledikleri belirlenmiştir. Gap genlerinin ifadesi bu genlerin mutant fenotipleri ile uyumludur: Anteriorda Hunchback, ortada Krüppel ve posteriorda Knirps. Gap genleri çift kural genlerinin transkripsiyonunu kontrol eder.

Çift-Kural Genleri

Çift kural genleri, boşluk genlerinin oluşturduğu geniş bölgeleri yaklaşık bir segment büyüklüğünde parçalara böler. Çift-kural genlerindeki mutasyonların, iki segment boyutunda bölgelerin yapıdan çıkmasına neden olduğu görülmüştür. Çift-kural genleri, embriyonun çevresine kadar uzanan dar çekirdek bant veya şeritlerinde ifade olur. Bu gen takımının ifadesi önce segmentlerin sınırını belirler ve sonra segment polarite genlerini kontrol ederek, her bir segmentteki hücrelerin gelişim yolunu belirler. Embriyoyu bir seri şeritlere bölen en az sekiz tane çift-kural geni vardır. Bu şeritlerin sınırlarında çakışan kısımlarının olması, şeritlerdeki hücrelerde çift-kural genlerinin birbiri ile çakışacak şekilde farklı kombinasyonlarda ifade olduklarını gösterir. Birçok çift-kural geni sarmal-dönüş-sarmal (heliks-turn-heliks) homeodomainler (bir homeotik gen proteini ile diğeri arasında bulunan dizi) içeren transkripsiyon faktörlerini kodlar. Çift-kural genlerinin transkripsiyonu boşluk gen ürünlerinin işlevi yardımıyla gerçekleşir, fakat belirgin şeritler halindeki görünüm, çift-kural genlerinin kendi ürünlerinin aralarındaki etkileşimleri ile ortaya çıkar.

Segment Polarite Genleri 

Segment polarite genlerinin ifadesi çift-kural genlerinin sentezlediği transkripsiyon faktörleri tarafından kontrol edilir. Her segmentte, segment polarite genler, embriyonun çevresine kadar uzanan tek bir hücre bandında aktif hale gelir. Bunlar embriyoyu 14 segmente ayırır ve segment polarite genlerinin ürünleri her segment içindeki hücresel kimliği kontrol edilir. Segment polarite genlerinin bazıları transkripsiyon faktörlerini şifreler. Engrailed proteinleri, transkripsiyonu aktive etmek yerine diğer homeodomain proteinlerinin aktivitelerini onlarla rekabete girerek engelle ve sonuçta segment sınırını oluşturur.

Şekil 4. Drosophila’da segment oluşumunda Ankyrin-2 geninin ekspresyonu