Alla scoperta dei modelli animali: il moscerino della frutta

Nel nostro viaggio alla scoperta dei modelli animali oggi incontriamo l’innocuo moscerino della frutta, la Drosophila melanogaster (quest’ultimo termine in riferimento al suo addome scuro).

Grazie a questo piccolo esserino è stato possibile studiare tante cose, fra cui: sviluppo embrionale, risposta immunitaria, differenziazione cellulare, funzione e sviluppo del sistema nervoso, muscolare e cardiaco, la morte cellulare programmata, il ciclo circadiano, gli effetti della deprivazione del sonno, gli oncogeni e la proliferazione cellulare, la polarità cellulare, gli effetti di farmaci e pesticidi.

Ma perché proprio la Drosophila? Ci sono due motivi principali. Il primo è che, essendo un modello molto più semplice dell’uomo, vi è quasi sempre la correlazione 1 gene = 1 funzione, con una scarsa presenza di vie ridondanti che invece caratterizzano l’essere umano. Inoltre questo moscerino presenta diverse proteine e geni che si ritrovano anche nell’uomo. Questo risulta particolarmente vantaggioso per lo studio delle malattie genetiche poiché spesso a seguito di alcune mutazioni, la drosophila mostra lo stesso fenotipo [1] patologico umano.

Sesso e ciclo vitale

La Drosophila è un animale piccolo e poco costoso da mantenere in laboratorio poiché viene conservata in un cilindretto di plastica sul cui fondo si trova il nutrimento.
Anche il suo genoma è molto semplice poiché presenta 4 coppie di cromosomi tra le quali i cromosomi sessuali X/Y. La determinazione del sesso tuttavia non è la stessa stessa dei mammiferi e il cromosoma Y non è necessario per la determinazione del sesso maschile. Il sesso viene determinato dal numero di cromosomi X: la presenza di due cromosomi X determina la produzione della proteina “Sex-lethal”, codificata da un gene collocato sul cromosoma X. La presenza di tale proteina induce uno sviluppo femminile mentre se la proteina Sex-lethal non viene espressa, lo sviluppo è maschile.

(fonte: https://slideplayer.com/slide/14246301/)

Presenta un ciclo vitale breve e semplice da studiare: si parte dall’uovo fertilizzato che dal secondo al quinto giorno passa allo stadio di larva. Durante le fasi larvali, la D.melanogaster essenzialmente si nutre e cresce rimanendo sul fondo del cilindro.

Tra i giorni 6-10 diviene pupa, stadio in cui vi è il rimodellamento e la differenziazione degli epiteli [2]. Al giorno 10, il moscerino diventa adulto e capace di riprodursi.

Moscerino da Nobel

Nel 1933, Thomas Morgan si aggiudicò il premio Nobel per la Medicina e la Fisiologia per “le sue scoperte riguardanti il ruolo giocato dai cromosomi nell’ereditarietà”
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1933/summary/

Qualche anno dopo, nel 1949, Hermann Joseph Muller vinse il prestigioso premio per “la scoperta dell’induzione di mutazioni tramite raggi X”
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1946/summary/

Nel 1995, Edward B. Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard e Eric F. Wieschaus vennero insigniti del premio Nobel per “le scoperte riguardanti il controllo genetico nelle prime fasi dello sviluppo embrionale” in particolar modo per l’individuazione dei cosiddetti homeobox genes, un set di geni che controllano lo sviluppo ordinato della parte anteriore e posteriore del corpo e delle mutazioni omeotiche [3].
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1995/summary/

Giungiamo finalmente al 2011, quando Bruce A. Beutler and Jules A. Hoffmann vinsero il premio per “le scoperte riguardanti l’attivazione del sistema immunitario” e Ralph M. Steinman per “le scoperte delle cellule dendritiche e il loro ruolo nell’immunità adattativa”
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2011/summary/

Super mutanti

La storia dell’utilizzo della Drosophila è costellato da mutanti, ciascuno dei quali prende il nome dal fenotipo che la mutazione causa. In questo modo si sono studiati i precedentemente citati geni homeobox, raccolti in cluster (gruppi) e conservati invariati dal lievito all’uomo. Questi codificano per fattori di trascrizione [4], i quali agiscono aiutando l’espressione di altri geni specifici per la formazione di strutture corporee o organi. Esempi di tali geni sono antennapedia (Antp), i cui mutanti sviluppano delle zampe al posto delle antenne e ultrabitorax (Ubx), per il quale i mutanti sviluppano delle ali in sede posteriore a quelle che normalmente svilupperebbero.

Tali geni si caratterizzano inoltre per il fenomeno della co-linearità per cui in ogni complesso di geni Hox, l’espressione genica avviene in modo ordinato dal punto di vista spaziale (ogni gene corrisponde spazialmente all’area in cui determina lo sviluppo di una precisa struttura) e temporale (quindi i geni posti anteriormente nel cluster vengono espressi prima di quelli situati posteriormente) secondo la sequenza di questi geni.

Drosophila e ricerca

In Drosophila è possibile condurre studi di genetica classica: considerando ad esempio il tratto fenotipico “colore degli occhi”, le Drosophile possono averli bianchi o rossi (o variegati). Incrociando una femmina con gli occhi rossi (omozigote per l’allele wt) con un maschio avente gli occhi bianchi si ottiene una progenie interamente con gli occhi rossi.

Invece facendo lo stesso con una femmina dagli occhi bianchi ed un maschio con gli occhi rossi si ottiene una progenie dove le femmine hanno tutti gli occhi rossi, mentre i maschi hanno tutti gli occhi bianchi.

Da ciò si può evincere che l’’allele considerato è X-linked, quindi i maschi sono emizigoti [5] per l’allele “colore degli occhi” e che l’’allele white è recessivo rispetto a quello occhi rossi.

Il moscerino può essere utilizzato anche come modello per patologie di tipo neurodegenerativo. Si conoscono infatti tutte le connessioni del suo sistema nervoso.  Lo studio delle patologie neuronali al solito si effettua mediante l’osservazione del fenotipo “morte dei neuroni”.
Il morbo di Huntington ad esempio fa parte di una categoria di patologie del sistema nervoso centrale per cui si vi è una notevole espansione di triplette di nucleotidi, le quali triplette codificano per la glutammina (Gln). La mutazione comporta un allungamento della proteina codificata, huntingtina, che diviene patologica poiché si accumula nel cervello danneggiandolo. Si tratta di una patologia ereditaria dominante.
La stessa tipologia di mutazione in proteine diverse causa anche le seguenti patologie:

• DRPLA (dentatorubralpallidoluysian atrophy), derivante dall’alterazione nella proteina atrofina.
• Kennedy disease (o atrofia muscolare spino-bulbare) dove è alterato il gene per il recettore degli androgeni.
• Machardo-Josef disease dove è alterato il gene ATXN3
• Diverse forme di atassia spino-cerebrali

Si prenda ad esempio la DRPLA. Questa patologia è causata da un’espansione nella proteina atrofina. Perché si studia nel moscerino? Si tratta di una proteina conservata (cioè è in comune tra uomo e moscerino). Inoltre nell’uomo ve ne sono ben due di atrofine, quindi lo studio nel moscerino ne facilita la comprensione, dato che ce n’è solo una. Lo studio può essere condotto in diversi modi: si può utilizzare l’atrofina normale/mutata (dell’uomo) così da inserirla in Drosophila oppure è possibile indurre un’alterazione nella proteina stessa del moscerino.
Esprimendo la proteina tossica nel cervello del moscerino succede che questo muore. Si può aggirare il problema sfruttando una popolazione di neuroni non fondamentale per la vita dell’insetto e testando gli effetti dell’atrofina mutata in questi. Ad esempio si utilizzano i recettori della retina facendo morire i neuroni e causando al massimo la cecità della mosca.

Il nostro moscerino viene anche studiato per altri tipi di fenomeni; i tessuti epiteliali sappiamo avere la capacità intrinseca di ripararsi e rigenerarsi a seguito di un danno. In Drosophila è stato possibile studiare diversi aspetti della biologia molecolare trasferibili anche nell’uomo. Uno dei fenomeni che è stato meglio compresi è quello di apoptosis-induced proliferation. Si tratta di un processo per cui cellule danneggiate entrano in apoptosi (morte cellulare programmata) e segnalano alle cellule circostanti (cellule sane) di dividersi per ripristinare la porzione di tessuto che è andata persa a seguito di un danno. Questo è un processo che richiede la presenza del gene p53, per la produzione di mitogeni quali Wingless (Wg) e Decapentaplegic (Dpp), utili a indurre la crescita del tessuto circostante.

Glossario

[1] Fenotipo: ciò che appare visibile, cioè l’insieme delle caratteristiche morfologiche e funzionali di un organismo codificate dal suo genotipo e influenzate dall’ambiente (per esempio: occhi azzurri  o neri). 

[2] Epitelio: uno dei quattro tipi fondamentali di tessuto che compongono il corpo degli organismi

[3] Mutazioni omeotiche: cioè quelle che inducono la formazione di una componente del corpo laddove non dovrebbe esserci (esempio la zampa al posto dell’occhio). Un esempio è il regolatore dello sviluppo Pax6. L’espressione di questo gene dell’occhio della Drosophila è sufficiente ad indurre la formazione di occhi ectopici, cioè in posizioni non fisiologiche, nell’insetto.

[4] Fattori di trascrizione: proteina che lega il DNA favorendo l’espressione di specifici geni.

[5] Emizigoti: organismo che nel suo genotipo presenta alcuni geni in singola copia anziché duplice