Mosca de la fruta

Drosophila melanogaster es una especie de mosca (del orden taxonómico Diptera) de la familia Drosophilidae. La especie a menudo se denomina mosca del vinagre o mosca de la fruta, o menos comúnmente "mosca del vinagre" o "mosca del orujo". A partir de la propuesta de 1901 de Charles W. Woodworth sobre el uso de esta especie como organismo modelo, D. melanogaster continúa siendo ampliamente utilizado para la investigación biológica en genética, fisiología, patogénesis microbiana y evolución del ciclo vital. A partir de 2017, se han otorgado cinco premios Nobel a drosófilos por su trabajo con el insecto.

D. melanogaster se usa típicamente en investigación debido a su ciclo de vida rápido, genética relativamente simple con solo cuatro pares de cromosomas y una gran cantidad de descendientes por generación. Originalmente era una especie africana, y todos los linajes no africanos tenían un origen común. Su rango geográfico incluye todos los continentes, incluidas las islas. D. melanogaster es una plaga común en hogares, restaurantes y otros lugares donde se sirven alimentos.

Las moscas pertenecientes a la familia Tephritidae también se denominan "moscas de la fruta". Esto puede causar confusión, especialmente en el Mediterráneo, Australia y Sudáfrica, donde la mosca mediterránea de la fruta Ceratitis capitata es una plaga económica.

Apariencia física

Las moscas de la fruta de tipo salvaje son de color marrón amarillento, con ojos de color rojo ladrillo y anillos negros transversales en el abdomen. El color rojo ladrillo de los ojos de la mosca salvaje se debe a dos pigmentos: la xantomatina, que es marrón y se deriva del triptófano, y las drosopterinas, que son rojas y se derivan del trifosfato de guanosina. Presentan dimorfismo sexual; las hembras miden alrededor de 2,5 mm (0,10 pulgadas) de largo; los machos son un poco más pequeños con la espalda más oscura. Los machos se distinguen fácilmente de las hembras en función de las diferencias de color, con una mancha negra distintiva en el abdomen, menos perceptible en las moscas recién emergidas, y los sexcombs (una fila de cerdas oscuras en el tarso de la primera pata). Además, los machos tienen un grupo de pelos puntiagudos (claspers) que rodean las partes reproductoras que se utilizan para unirse a la hembra durante el apareamiento. Imágenes extensas se encuentran en FlyBase. Las moscas Drosophila melanogaster pueden sentir las corrientes de aire con los pelos de la espalda. Sus ojos son sensibles a ligeras diferencias en la intensidad de la luz e instintivamente volarán cuando se detecte una sombra u otro movimiento.

Ciclo de vida y reproducción

En condiciones de crecimiento óptimas a 25 ° C (77 ° F), la vida útil de D. melanogaster es de aproximadamente 50 días desde el huevo hasta la muerte. El período de desarrollo de D. melanogaster varía con la temperatura, como ocurre con muchas especies ectotérmicas. El tiempo de desarrollo más corto (huevo a adulto), 7 días, se logra a 28 °C (82 °F). Los tiempos de desarrollo disminuyen a temperaturas más altas (11 días a 30 °C o 86 °F) debido al estrés por calor. En condiciones ideales, el tiempo de desarrollo a 25 °C (77 °F) es de 8,5 días, a 18 °C (64 °F) tarda 19 días y a 12 °C (54 °F) tarda más de 50 días. En condiciones de hacinamiento, el tiempo de desarrollo aumenta, mientras que las moscas emergentes son más pequeñas.Las hembras ponen unos 400 huevos (embriones), unos cinco a la vez, en fruta podrida u otro material adecuado, como hongos en descomposición y flujos de savia. Drosophila melanogaster es un insecto holometábolo, por lo que sufre una metamorfosis completa. Su ciclo de vida se divide en 4 etapas: embrión, larva, pupa y adulto. Los huevos, que miden alrededor de 0,5 mm de largo, eclosionan después de 12 a 15 horas (a 25 °C o 77 °F). Las larvas resultantes crecen durante aproximadamente 4 días (a 25 °C) mientras mudan dos veces (en larvas de segundo y tercer estadio), aproximadamente 24 y 48 h después de la eclosión.Durante este tiempo, se alimentan de los microorganismos que descomponen la fruta, así como del azúcar de la propia fruta. La madre pone heces en los sacos de huevos para establecer la misma composición microbiana en los intestinos de las larvas que ha funcionado positivamente para ella. Luego, las larvas se encapsulan en el pupario y sufren una metamorfosis de 4 días (a 25 °C), después de lo cual los adultos eclosionan (emergen).

Los machos realizan una secuencia de cinco patrones de comportamiento para cortejar a las hembras. Primero, los machos se orientan mientras tocan una canción de cortejo extendiendo horizontalmente y haciendo vibrar sus alas. Poco después, el macho se posiciona en la parte posterior del abdomen de la hembra en una postura baja para tocar y lamer los genitales femeninos. Finalmente, el macho enrosca el abdomen e intenta la cópula. Las hembras pueden rechazar a los machos alejándose, pateando y sacando su ovipositor. La cópula dura alrededor de 15 a 20 minutos, durante los cuales los machos transfieren unos cientos de espermatozoides muy largos (1,76 mm) en el líquido seminal a la hembra.Las hembras almacenan los espermatozoides en un receptáculo tubular y en dos espermatecas en forma de hongo; los espermatozoides de múltiples apareamientos compiten por la fertilización. Se cree que existe una última precedencia masculina; el último macho en aparearse con una hembra engendra alrededor del 80% de su descendencia. Se encontró que esta precedencia ocurre tanto por el desplazamiento como por la incapacitación. El desplazamiento se atribuye al manejo del esperma por parte de la mosca hembra a medida que se realizan múltiples apareamientos y es más significativo durante los primeros 1 o 2 días posteriores a la cópula. El desplazamiento desde el receptáculo seminal es más significativo que el desplazamiento desde las espermatecas.La incapacidad del primer espermatozoide masculino por el segundo espermatozoide masculino se vuelve significativa de 2 a 7 días después de la cópula. Se cree que el líquido seminal del segundo macho es el responsable de este mecanismo de incapacitación (sin la eliminación del primer espermatozoide masculino) que tiene efecto antes de que ocurra la fertilización. Se cree que el retraso en la efectividad del mecanismo de incapacitación es un mecanismo de protección que evita que una mosca macho incapacite su propio esperma si se aparea con la misma mosca hembra repetidamente. Las neuronas sensoriales en el útero de la hembra D. melanogaster responden a una proteína masculina, el péptido sexual, que se encuentra en el semen.Esta proteína hace que la hembra se resista a copular durante unos 10 días después de la inseminación. Se ha determinado la vía de la señal que conduce a este cambio de comportamiento. La señal se envía a una región del cerebro que es un homólogo del hipotálamo y el hipotálamo controla el comportamiento y el deseo sexual. Las hormonas gonadotrópicas en Drosophila mantienen la homeostasis y gobiernan el rendimiento reproductivo a través de una interrelación cíclica, similar al ciclo estral de los mamíferos. El péptido sexual perturba esta homeostasis y cambia drásticamente el estado endocrino de la mujer al incitar la síntesis de hormonas juveniles en el cuerpo allatum.

D. melanogaster se usa a menudo para estudios de extensión de la vida, como para identificar genes que supuestamente aumentan la vida útil cuando mutan. D. melanogaster también se utiliza en estudios de envejecimiento. El síndrome de Werner es una condición en humanos caracterizada por un envejecimiento acelerado. Está causada por mutaciones en el gen WRN que codifica una proteína con funciones esenciales en la reparación del daño del ADN. Las mutaciones en el homólogo de D. melanogaster de WRN también provocan un aumento de los signos fisiológicos del envejecimiento, como una vida más corta, una mayor incidencia de tumores, degeneración muscular, capacidad reducida para escalar, comportamiento alterado y actividad locomotora reducida.

Hembras

Las hembras se vuelven receptivas al cortejo de los machos entre 8 y 12 horas después de emerger. Se ha descubierto que grupos específicos de neuronas en las hembras afectan el comportamiento de cópula y la elección de pareja. Uno de esos grupos en el cordón nervioso abdominal permite que la mosca hembra haga una pausa en los movimientos de su cuerpo para copular. La activación de estas neuronas induce a la hembra a dejar de moverse y orientarse hacia el macho para permitir el montaje. Si el grupo está inactivo, la hembra permanece en movimiento y no copula. Varias señales químicas, como las feromonas masculinas, a menudo pueden activar el grupo.

Además, las hembras exhiben copia de elección de pareja. Cuando a las hembras vírgenes se les muestra a otras hembras copulando con un determinado tipo de macho, tienden a copular más con este tipo de macho después que las hembras ingenuas (que no han observado la cópula de otras). Este comportamiento es sensible a las condiciones ambientales y las hembras copulan menos en condiciones climáticas adversas.

Machos

Los machos de D. melanogaster exhiben una fuerte curva de aprendizaje reproductivo. Es decir, con la experiencia sexual, estas moscas tienden a modificar su futuro comportamiento de apareamiento de múltiples maneras. Estos cambios incluyen una mayor selectividad para el cortejo intraespecífico, así como una disminución de los tiempos de cortejo.

Se sabe que los machos de D. melanogaster sexualmente ingenuos pasan mucho tiempo cortejando interespecíficamente, como con las moscas D. simulans. Naïve D. melanogaster también intentará cortejar a las hembras que aún no son sexualmente maduras y a otros machos. Los machos de D. melanogaster muestran poca o ninguna preferencia por las hembras de D. melanogaster sobre las hembras de otras especies o incluso sobre otras moscas macho. Sin embargo, después de que D. simulans u otras moscas incapaces de copular hayan rechazado los avances de los machos, D. melanogasteres mucho menos probable que los machos pasen tiempo cortejando de manera no específica en el futuro. Esta aparente modificación del comportamiento aprendido parece ser significativa desde el punto de vista evolutivo, ya que permite a los machos evitar invertir energía en encuentros sexuales inútiles.

Además, los machos con experiencia sexual previa modifican su baile de cortejo cuando intentan aparearse con nuevas hembras: los machos experimentados pasan menos tiempo cortejando, por lo que tienen latencias de apareamiento más bajas, lo que significa que pueden reproducirse más rápidamente. Esta latencia de apareamiento disminuida conduce a una mayor eficiencia de apareamiento para los machos experimentados sobre los machos inexpertos. Esta modificación también parece tener ventajas evolutivas obvias, ya que una mayor eficiencia de apareamiento es extremadamente importante a los ojos de la selección natural.

Poligamia

Tanto las moscas D. melanogaster machos como las hembras actúan de forma polígama (tienen múltiples parejas sexuales al mismo tiempo). Tanto en machos como en hembras, la poligamia da como resultado una disminución de la actividad nocturna en comparación con las moscas vírgenes, más en los machos que en las hembras. La actividad vespertina consiste en aquellas en las que las moscas participan además del apareamiento y la búsqueda de parejas, como la búsqueda de comida. El éxito reproductivo de machos y hembras varía, ya que una hembra solo necesita aparearse una vez para alcanzar la máxima fertilidad. El apareamiento con múltiples parejas no ofrece ninguna ventaja sobre el apareamiento con una sola pareja, por lo que las hembras no muestran diferencias en la actividad nocturna entre individuos polígamos y monógamos.Sin embargo, para los machos, el apareamiento con múltiples parejas aumenta su éxito reproductivo al aumentar la diversidad genética de su descendencia. Este beneficio de la diversidad genética es una ventaja evolutiva porque aumenta la posibilidad de que algunos de los descendientes tengan rasgos que aumenten su aptitud en su entorno.

La diferencia en la actividad vespertina entre las moscas macho polígamas y monógamas se puede explicar con el cortejo. Para las moscas polígamas, su éxito reproductivo aumenta al tener descendencia con múltiples parejas y, por lo tanto, dedican más tiempo y energía a cortejar a múltiples hembras. Por otro lado, las moscas monógamas solo cortejan a una hembra y gastan menos energía al hacerlo. Si bien las moscas macho requieren más energía para cortejar a varias hembras, los beneficios reproductivos generales que produce han mantenido a la poligamia como la opción sexual preferida.

El mecanismo que afecta el comportamiento de cortejo en Drosophila está controlado por las neuronas osciladoras DN1 y LND. Se descubrió que la oscilación de las neuronas DN1 se ve afectada por las interacciones sociosexuales y está relacionada con la disminución de la actividad nocturna relacionada con el apareamiento.

Organismo modelo en genética

D. melanogaster sigue siendo uno de los organismos más estudiados en la investigación biológica, particularmente en genética y biología del desarrollo. También se emplea en estudios de mutagénesis ambiental.

Historia de uso en análisis genético

D. melanogaster fue uno de los primeros organismos utilizados para el análisis genético y, en la actualidad, es uno de los organismos eucariotas más ampliamente utilizados y genéticamente más conocidos. Todos los organismos utilizan sistemas genéticos comunes; por lo tanto, comprender procesos como la transcripción y la replicación en moscas de la fruta ayuda a comprender estos procesos en otros eucariotas, incluidos los humanos.

Thomas Hunt Morgan comenzó a usar moscas de la fruta en estudios experimentales de herencia en la Universidad de Columbia en 1910 en un laboratorio conocido como Fly Room. El Fly Room estaba repleto de ocho escritorios, cada uno ocupado por estudiantes y sus experimentos. Comenzaron experimentos usando botellas de leche para criar moscas de la fruta y lentes de mano para observar sus rasgos. Posteriormente, las lentes fueron reemplazadas por microscopios, lo que mejoró sus observaciones. Morgan y sus estudiantes finalmente dilucidaron muchos principios básicos de la herencia, incluida la herencia ligada al sexo, la epistasis, los alelos múltiples y el mapeo de genes.

Históricamente, D. melanogaster se había utilizado en laboratorios para estudiar la genética y los patrones de herencia. Sin embargo, D. melanogaster también tiene importancia en la investigación de mutagénesis ambiental, lo que permite a los investigadores estudiar los efectos de mutágenos ambientales específicos.

Razones para su uso en laboratorios

Hay muchas razones por las que la mosca de la fruta es una opción popular como organismo modelo:

• Su cuidado y cultivo requieren poco equipo, espacio y gasto, incluso cuando se utilizan cultivos grandes.
• Se puede anestesiar de manera segura y fácil (generalmente con éter, dióxido de carbono gaseoso, mediante enfriamiento o con productos como FlyNap).
• Su morfología es fácil de identificar una vez anestesiado.
• Tiene un tiempo de generación corto (alrededor de 10 días a temperatura ambiente), por lo que se pueden estudiar varias generaciones en unas pocas semanas.
• Tiene una alta fecundidad (las hembras ponen hasta 100 huevos por día, y quizás 2000 a lo largo de su vida).
• Los machos y las hembras se distinguen fácilmente, y las hembras vírgenes se pueden identificar fácilmente por su abdomen translúcido de color claro, lo que facilita el cruce genético.
• La larva madura tiene cromosomas gigantes en las glándulas salivales llamados cromosomas politénicos, "puffs", que indican regiones de transcripción y, por lo tanto, actividad génica. La sub-replicación de rDNA se produce dando como resultado sólo el 20% del ADN en comparación con el cerebro. Compare con el 47% menos de ADNr en los ovarios de Sarcophaga barbata.
• Tiene solo cuatro pares de cromosomas: tres autosomas y un par de cromosomas sexuales.
• Los machos no presentan recombinación meiótica, lo que facilita los estudios genéticos.
• Los "cromosomas equilibradores" letales recesivos que llevan marcadores genéticos visibles se pueden utilizar para mantener reservas de alelos letales en un estado heterocigoto sin recombinación debido a múltiples inversiones en el equilibrador.
• El desarrollo de este organismo, desde el óvulo fertilizado hasta el adulto maduro, se comprende bien.
• Las técnicas de transformación genética están disponibles desde 1987.
• Su genoma completo fue secuenciado y publicado por primera vez en 2000.
• Los mosaicos sexuales se pueden producir fácilmente, proporcionando una herramienta adicional para estudiar el desarrollo y el comportamiento de estas moscas.

Marcadores genéticos

Los marcadores genéticos se usan comúnmente en la investigación de Drosophila, por ejemplo, dentro de los cromosomas equilibradores o insertos de elementos P, y la mayoría de los fenotipos son fácilmente identificables a simple vista o bajo un microscopio. En la lista de algunos marcadores comunes a continuación, el símbolo del alelo va seguido del nombre del gen afectado y una descripción de su fenotipo. (Nota: los alelos recesivos están en minúsculas, mientras que los alelos dominantes están en mayúscula).

• Cy: Rizado; las alas se curvan lejos del cuerpo, el vuelo puede verse algo afectado
• e: Ébano; cuerpo y alas negros (los heterocigotos también son visiblemente más oscuros que los de tipo salvaje)
• Sb: rastrojo; las cerdas son más cortas y gruesas que las de tipo salvaje
• w: Blanco; los ojos carecen de pigmentación y parecen blancos
• bn: Marrón; color de ojos determinado por varios pigmentos combinados.
• y: amarillo; la pigmentación del cuerpo y las alas aparecen amarillas, el análogo de la mosca del albinismo

Mutaciones genéticas clásicas

Los genes de Drosophila reciben tradicionalmente el nombre del fenotipo que causan cuando mutan. Por ejemplo, la ausencia de un gen particular en Drosophila dará como resultado un embrión mutante que no desarrolla un corazón. Los científicos han llamado así a este gen tinman, llamado así por el personaje de Oz del mismo nombre. Asimismo, los cambios en el gen Shavenbaby provocan la pérdida de pelos cuticulares dorsales en las larvas de Drosophila sechellia. Este sistema de nomenclatura da como resultado una gama más amplia de nombres de genes que en otros organismos.

• Adh: alcohol deshidrogenasa: la Drosophila melanogaster puede expresar la mutación de la alcohol deshidrogenasa (ADH), lo que evita la descomposición de los niveles tóxicos de alcoholes en aldehídos y cetonas. Si bien el etanol producido por la descomposición de la fruta es una fuente de alimento natural y un lugar para el oviposito de Drosophila en bajas concentraciones (<4%), las altas concentraciones de etanol pueden inducir estrés oxidativo e intoxicación por alcohol. La aptitud de Drosophila se eleva al consumir la baja concentración de etanol. La exposición inicial al etanol provoca hiperactividad, seguida de incoordinación y sedación. Investigaciones posteriores han demostrado que el antioxidante alfa-cetoglutarato puede ser beneficioso para reducir el estrés oxidativo producido por el consumo de alcohol. Un estudio de 2016 concluyó que la suplementación alimentaria con alfa-cetoglutarato 10 mM disminuyó la sensibilidad al alcohol de Drosophila con el tiempo. Para el gen que codifica para ADH, hay 194 alelos clásicos y de inserción conocidos. Dos alelos que se usan comúnmente para la experimentación que involucra la toxicidad y la respuesta del etanol son ADH (lento) y ADH (rápido). Numerosos experimentos han concluido que los dos alelos explican las diferencias en la actividad enzimática de cada uno.Al comparar homocigotos Adh-F (tipo salvaje) y Adh-nulls (homocigotos nulos), la investigación ha demostrado que los Adh-nulls tienen un nivel más bajo de tolerancia al etanol, comenzando el proceso de intoxicación antes que su contraparte. Otros experimentos también han concluido que el alelo Adh es haplosuficiente. La haplosuficiencia establece que tener un alelo funcional será adecuado para producir los fenotipos necesarios para la supervivencia. Lo que significa que las moscas que eran heterocigotas para el alelo Adh (una copia del alelo nulo Adh y una copia del alelo Adh de tipo salvaje) dieron una tolerancia al alcohol fenotípica muy similar a la de las moscas dominantes homocigotas (dos copias del alelo Adh de tipo salvaje). Independientemente del genotipo, Drosophilamuestran una respuesta negativa a la exposición a muestras con un contenido de etanol superior al 5%, lo que hace que cualquier tolerancia sea inadecuada, dando como resultado una dosis letal y una tasa de mortalidad de alrededor del 70%. Drosophila muestra muchas de las mismas respuestas de etanol que los humanos. Dosis bajas de etanol producen hiperactividad, dosis moderadas descoordinación y dosis altas sedación.”.
• b: negro - La mutación negra fue descubierta en 1910 por Thomas Hunt Morgan. La mutación negra da como resultado un cuerpo, alas, venas y segmentos de la pata de la mosca de la fruta de color más oscuro. Esto ocurre debido a la incapacidad de la mosca para crear beta-alanina, un aminoácido beta. La expresión fenotípica de esta mutación varía según el genotipo del individuo; por ejemplo, si el espécimen es homocigótico o heterocigótico da como resultado una apariencia más oscura o menos oscura. Esta mutación genética es recesiva ligada al cromosoma X.
• bw: marrón: la mutación del ojo marrón resulta de la incapacidad para producir o sintetizar pigmentos de pteridina (rojo), debido a una mutación puntual en el cromosoma II. Cuando la mutación es homocigota, los pigmentos de pteridina no se pueden sintetizar porque al comienzo de la ruta de la pteridina, los genes homocigotos recesivos codifican una enzima defectuosa. En total, las mutaciones en la ruta de la pteridina producen un color de ojos más oscuro, por lo que el color resultante del defecto bioquímico en la ruta de la pteridina es marrón.
• m: miniatura - Uno de los primeros registros de la mutación de alas en miniatura también fue realizado por Thomas Hunt Morgan en 1911. Describió que las alas tenían una forma similar al fenotipo de tipo salvaje. Sin embargo, su designación en miniatura se refiere a la longitud de sus alas, que no se extienden más allá de su cuerpo y, por lo tanto, son notablemente más cortas que la longitud de tipo salvaje. También señaló que su herencia está relacionada con el sexo de la mosca y podría combinarse con la herencia de otros rasgos determinados por el sexo, como los ojos blancos. Las alas también pueden mostrar otras características que se desvían del ala de tipo salvaje, como un color más opaco y turbio. Miniatura las alas son 1,5 veces más cortas que las de tipo salvaje, pero se cree que tienen el mismo número de células. Esto se debe a la falta de aplanamiento completo por parte de estas células, lo que hace que la estructura general del ala parezca más corta en comparación. La vía de expansión del ala está regulada por una vía de receptor de señal, donde la neurohormona bursicon interactúa con su receptor acoplado a proteína G complementaria; este receptor impulsa una de las subunidades de la proteína G para señalar una mayor actividad enzimática y da como resultado el desarrollo en el ala, como la apoptosis y el crecimiento.
• se: sepia - El color de ojos sepia es marrón. Los omocromos (marrones) y las drosopterinas (rojas) son responsables del típico color de ojos de Drosophila melanogaster. Estas mutaciones ocurren en el tercer cromosoma. Debido a la incapacidad de la sepia para fabricar una enzima de pteridina que es responsable de la pigmentación roja, no pueden mostrar la coloración roja de los ojos y, en cambio, tienen la coloración marrón como se mencionó anteriormente.Cuando se aparean con un tipo salvaje, las moscas con ojos rojos dominarán sobre los ojos de color sepia. Luego se clasifican como una mutación recesiva y solo pueden ocurrir cuando ambos cromosomas contienen el gen de los ojos sepia. Los ojos de color sepia no dependen del sexo de la mosca. El color de ojos Sepia disminuye la actividad sexual en los machos e influye en la preferencia de las hembras. "
• v: bermellón: el color de ojos bermellón en comparación con un D. melanogaster de tipo salvaje es un rojo radiante. El mutante de color de ojos bermellón es un gen recesivo ligado al sexo debido a su ausencia de pigmento marrón en los ojos. El pigmento rojo se encuentra en el cromosoma X. La síntesis del pigmento marrón se debe al proceso de conversión de triptófano en quinurenina, las moscas bermellón carecen de la capacidad de convertir estos aminoácidos bloqueando la producción de pigmento marrón. La reducción en la cantidad de triptófano convertido en quinurenina en mutantes bermellón se ha asociado con una vida más larga en comparación con las moscas de tipo salvaje.

• vg: vestigial - Una mutación espontánea, descubierta en 1919 por Thomas Morgan y Calvin Bridges. Las alas vestigiales son aquellas que no están completamente desarrolladas y que han perdido su función. Desde el descubrimiento del gen vestigial en Drosophila melanogaster, ha habido muchos descubrimientos del gen vestigial en otros vertebrados y sus funciones dentro de los vertebrados. El gen vestigial se considera uno de los genes más importantes para la formación de alas, pero cuando se sobreexpresa, comienza a formarse el problema de las alas ectópicas.El gen vestigial actúa para regular la expresión de los discos imaginales de las alas en el embrión y actúa con otros genes para regular el desarrollo de las alas. Un alelo vestigial mutado elimina una secuencia esencial del ADN necesaria para el correcto desarrollo de las alas.
• w: blanco: el tipo salvaje de Drosophila melanogaster normalmente expresa un color de ojos rojo ladrillo. La mutación del ojo blanco en las moscas de la fruta se debe a la ausencia de dos pigmentos asociados con los ojos de color rojo y marrón; peridinas (rojas) y omocromos (marrones). En enero de 1910, Thomas Hunt Morgan descubrió por primera vez el gen blanco y lo denominó w. El descubrimiento de la mutación del ojo blanco por parte de Morgan supuso el comienzo de la experimentación genética y el análisis de Drosophila melanogaster.Hunt finalmente descubrió que el gen seguía un patrón similar de herencia relacionado con la segregación meiótica del cromosoma X. Descubrió que el gen estaba ubicado en el cromosoma X con esta información. Esto condujo al descubrimiento de genes ligados al sexo y también al descubrimiento de otras mutaciones en Drosophila melanogaster. La mutación del ojo blanco genera varias desventajas en las moscas, como una capacidad de escalada reducida, una vida útil más corta y una menor resistencia al estrés en comparación con las moscas de tipo salvaje. Drosophila melanogaster tiene una serie de comportamientos de apareamiento que le permiten copular dentro de un entorno determinado y, por lo tanto, contribuye a su aptitud. Después del descubrimiento de Morgan de que la mutación del ojo blanco estaba ligada al sexo, un estudio dirigido por Sturtevant (1915) concluyó que los machos de ojos blancos tenían menos éxito que los machos de tipo salvaje en términos de apareamiento con hembras. Se encontró que a mayor densidad en la pigmentación de los ojos, mayor éxito en el apareamiento para los machos de Dr. osophila melanogaster.
• y: amarillo - El gen amarillo es una mutación genética conocida como Dmely dentro de la base de datos ampliamente utilizada llamada FlyBase. Esta mutación se puede identificar fácilmente por el pigmento amarillo atípico que se observa en la cutícula de las moscas adultas y las piezas bucales de las larvas. La mutación y comprende las siguientes clases fenotípicas: los mutantes que muestran una pérdida completa de la pigmentación de la cutícula (tipo y) y otros mutantes que muestran un patrón de pigmento en mosaico con algunas regiones de la cutícula (tipo salvaje, tipo y2). El papel del gen amarillo es diverso y es responsable de los cambios en el comportamiento, la maduración reproductiva específica del sexo y la reprogramación epigenética.El gen y es un gen ideal para estudiar, ya que es visiblemente claro cuándo un organismo tiene este gen, lo que facilita la comprensión del paso del ADN a la descendencia.

Genoma

Cromosomas de D. melanogaster a escala con referencias de pares de megabases orientadas como en la base de datos del Centro Nacional de Información Biotecnológica, las distancias centimorgan son aproximadas y estimadas a partir de las ubicaciones de los loci mapeados seleccionados.
Identificación del genoma NCBI	47
ploidía	diploide
Número de cromosomas	8
Año de finalización	2015

El genoma de D. melanogaster (secuenciado en 2000 y conservado en la base de datos FlyBase) contiene cuatro pares de cromosomas: un par X/Y y tres autosomas etiquetados como 2, 3 y 4. El cuarto cromosoma es relativamente muy pequeño y, por lo tanto, a menudo ignorado, aparte de su importante gen sin ojos. El genoma secuenciado de D. melanogaster de 139,5 millones de pares de bases ha sido anotado y contiene alrededor de 15 682 genes según el comunicado 73 de Ensemble. Más del 60 % del genoma parece ser ADN funcional no codificante de proteínas implicado en el control de la expresión génica. Determinación del sexo en Drosophilaocurre por la proporción X:A de cromosomas X a autosomas, no por la presencia de un cromosoma Y como en la determinación del sexo humano. Aunque el cromosoma Y es completamente heterocromático, contiene al menos 16 genes, muchos de los cuales se cree que tienen funciones relacionadas con los hombres.

Hay tres ortólogos de transferrina, todos los cuales son dramáticamente divergentes de los conocidos en los modelos de cordados.

Similitud con los humanos

Un estudio de marzo de 2000 realizado por el Instituto Nacional de Investigación del Genoma Humano que comparó la mosca de la fruta y el genoma humano estimó que alrededor del 60% de los genes se conservan entre las dos especies. Alrededor del 75% de los genes de enfermedades humanas conocidas tienen una coincidencia reconocible en el genoma de las moscas de la fruta, y el 50% de las secuencias de proteínas de mosca tienen homólogos de mamíferos. Una base de datos en línea llamada Homophila está disponible para buscar homólogos de genes de enfermedades humanas en moscas y viceversa.

Drosophila se está utilizando como modelo genético para varias enfermedades humanas, incluidos los trastornos neurodegenerativos de Parkinson, Huntington, ataxia espinocerebelosa y enfermedad de Alzheimer. La mosca también se está utilizando para estudiar los mecanismos subyacentes al envejecimiento y el estrés oxidativo, la inmunidad, la diabetes y el cáncer, así como el abuso de drogas.

Conectoma

Drosophila es uno de los pocos animales (C. elegans es otro) donde se encuentran disponibles circuitos neuronales detallados (un conectoma).

Existe un conectoma de alto nivel, a nivel de los compartimentos cerebrales y los tractos interconectados de las neuronas, para el cerebro completo de la mosca. Una versión de esto está disponible en línea.

Existen conectomas detallados a nivel de circuito para la lámina y una columna medular, tanto en el sistema visual de la mosca de la fruta como en el lóbulo alfa del cuerpo del hongo.

En mayo de 2017, un artículo publicado en bioRxiv presentó una pila de imágenes de microscopía electrónica de todo el cerebro femenino adulto en resolución sináptica. El volumen está disponible para el rastreo escaso de circuitos seleccionados.

En 2020, se lanzó un conectoma denso de la mitad del cerebro central de Drosophila, junto con un sitio web que permite consultas y exploración de estos datos. Los métodos utilizados en la reconstrucción y análisis inicial del conectoma siguieron.

Desarrollo

El ciclo de vida de este insecto tiene cuatro etapas: huevo fertilizado, larva, pupa y adulto.

La embriogénesis en Drosophila ha sido ampliamente estudiada, ya que su pequeño tamaño, corto tiempo de generación y gran tamaño de cría la hacen ideal para estudios genéticos. También es único entre los organismos modelo porque la escisión se produce en un sincitio.

Durante la ovogénesis, los puentes citoplasmáticos llamados "canales anulares" conectan el ovocito en formación con las células nodrizas. Los nutrientes y las moléculas de control del desarrollo pasan de las células nodrizas al ovocito. En la figura de la izquierda, se puede ver que el ovocito en formación está cubierto por células de soporte folicular.

Después de la fertilización del ovocito, el embrión temprano (o embrión sincitial) sufre una rápida replicación del ADN y 13 divisiones nucleares hasta que se acumulan alrededor de 5000 a 6000 núcleos en el citoplasma no separado del embrión. Al final de la octava división, la mayoría de los núcleos han emigrado a la superficie, rodeando el saco vitelino (dejando atrás solo unos pocos núcleos, que se convertirán en los núcleos vitelinos). Después de la décima división, las células polares se forman en el extremo posterior del embrión, segregando la línea germinal del sincitio. Finalmente, después de la división 13, las membranas celulares se invaginan lentamente, dividiendo el sincitio en células somáticas individuales. Una vez que se completa este proceso, comienza la gastrulación.

La división nuclear en el embrión temprano de Drosophila ocurre tan rápido que no existen puntos de control adecuados, por lo que se pueden cometer errores en la división del ADN. Para sortear este problema, los núcleos que se han equivocado se desprenden de sus centrosomas y caen en el centro del embrión (saco vitelino), que no formará parte de la mosca.

La red de genes (interacciones transcripcionales y de proteínas) que rigen el desarrollo temprano del embrión de la mosca de la fruta es una de las redes de genes mejor comprendidas hasta la fecha, especialmente el patrón a lo largo de los ejes anteroposterior (AP) y dorsoventral (DV) (ver bajo morfogénesis).

El embrión experimenta movimientos morfogenéticos bien caracterizados durante la gastrulación y el desarrollo temprano, incluida la extensión de la banda germinal, la formación de varios surcos, la invaginación ventral del mesodermo y la invaginación posterior y anterior del endodermo (intestino), así como una extensa segmentación corporal hasta que finalmente eclosión de la cutícula circundante en una larva de primer estadio.

Durante el desarrollo larvario, los tejidos conocidos como discos imaginales crecen dentro de la larva. Los discos imaginales se desarrollan para formar la mayoría de las estructuras del cuerpo adulto, como la cabeza, las piernas, las alas, el tórax y los genitales. Las células de los discos imaginales se reservan durante la embriogénesis y continúan creciendo y dividiéndose durante las etapas larvales, a diferencia de la mayoría de las otras células de la larva, que se han diferenciado para realizar funciones especializadas y crecen sin más división celular. En la metamorfosis, la larva forma una pupa, dentro de la cual se reabsorben los tejidos larvarios y los tejidos imaginales experimentan extensos movimientos morfogenéticos para formar estructuras adultas.

Plasticidad del desarrollo

Los factores bióticos y abióticos experimentados durante el desarrollo afectarán la asignación de recursos para el desarrollo, lo que conducirá a una variación fenotípica, también conocida como plasticidad del desarrollo. Como en todos los insectos, los factores ambientales pueden influir en varios aspectos del desarrollo de Drosophila melanogaster. Las moscas de la fruta criadas bajo un tratamiento de hipoxia experimentan una disminución de la longitud del tórax, mientras que la hiperoxia produce músculos de vuelo más pequeños, lo que sugiere efectos negativos en el desarrollo de los niveles extremos de oxígeno. Los ritmos circadianos también están sujetos a la plasticidad del desarrollo. Las condiciones de luz durante el desarrollo afectan los patrones de actividad diaria en Drosophila melanogaster, donde las moscas criadas bajo luz o oscuridad constante son menos activas como adultas que aquellas criadas bajo un ciclo de luz/oscuridad de 12 horas.

La temperatura es uno de los factores más dominantes que influyen en el desarrollo de los artrópodos. En Drosophila melanogaster, la plasticidad del desarrollo inducida por la temperatura puede ser beneficiosa y/o perjudicial. La mayoría de las veces, las temperaturas de desarrollo más bajas reducen las tasas de crecimiento, lo que influye en muchos otros factores fisiológicos. Por ejemplo, el desarrollo a 25 °C aumenta la velocidad al caminar, la amplitud del rendimiento térmico y el éxito territorial, mientras que el desarrollo a 18 °C aumenta la masa corporal y el tamaño del ala, todo lo cual está relacionado con la condición física. Además, el desarrollo a ciertas temperaturas bajas produce alas proporcionalmente grandes que mejoran el vuelo y el rendimiento reproductivo a temperaturas igualmente bajas (ver aclimatación).

Mientras que ciertos efectos de la temperatura de desarrollo, como el tamaño del cuerpo, son irreversibles en los ectotermos, otros pueden ser reversibles. Cuando Drosophila melanogaster se desarrolla a temperaturas frías, tendrá una mayor tolerancia al frío, pero si las moscas criadas en frío se mantienen a temperaturas más cálidas, su tolerancia al frío disminuye y la tolerancia al calor aumenta con el tiempo. Debido a que los insectos generalmente solo se aparean en un rango específico de temperaturas, su tolerancia al frío/calor es un rasgo importante para maximizar el rendimiento reproductivo.

Si bien se espera que los rasgos descritos anteriormente se manifiesten de manera similar en todos los sexos, la temperatura de desarrollo también puede producir efectos específicos del sexo en adultos de D. melanogaster.

• Hembras: el número de ovariolas se ve significativamente afectado por la temperatura de desarrollo en D. melanogaster. El tamaño del huevo también se ve afectado por la temperatura de desarrollo y se exacerba cuando ambos padres se desarrollan a temperaturas cálidas (ver Efecto materno). Bajo temperaturas estresantes, estas estructuras se desarrollarán a tamaños finales más pequeños y disminuirán la producción reproductiva de una hembra. La fecundidad temprana (total de huevos puestos en los primeros 10 días posteriores a la eclosión) se maximiza cuando se cría a 25 °C (frente a 17 °C y 29 °C), independientemente de la temperatura del adulto. En una amplia gama de temperaturas de desarrollo, las hembras tienden a tener una mayor tolerancia al calor que los machos.
• Machos: las temperaturas de desarrollo estresantes causarán esterilidad en los machos de D. melanogaster; aunque se puede aumentar el límite superior de temperatura manteniendo las cepas a altas temperaturas (Ver aclimatación). La esterilidad masculina puede ser reversible si los adultos regresan a una temperatura óptima después de desarrollarse a temperaturas estresantes. Las moscas macho son más pequeñas y tienen más éxito en la defensa de los sitios de comida/oviposición cuando se crían a 25 °C frente a 18 °C; por lo tanto, los machos más pequeños tendrán un mayor éxito de apareamiento y rendimiento reproductivo.

Determinación del sexo

Las moscas Drosophila tienen cromosomas X e Y, así como autosomas. A diferencia de los humanos, el cromosoma Y no confiere masculinidad; más bien, codifica los genes necesarios para producir esperma. En cambio, el sexo está determinado por la proporción de cromosomas X a autosomas. Además, cada célula "decide" si ser macho o hembra independientemente del resto del organismo, lo que resulta en la aparición ocasional de ginandromorfos.

cromosomas x	autosomas	Relación de X:A	Sexo
XXXX	AAAA	1	mujer normal
XXX	AAA	1	mujer normal
XXY	Automóvil club británico	1	mujer normal
XXYY	Automóvil club británico	1	mujer normal
XX	Automóvil club británico	1	mujer normal
XY	Automóvil club británico	0.50	Hombre Normal
X	Automóvil club británico	0.50	Varón normal (estéril)
XXX	Automóvil club británico	1.50	metafemenino
XXXX	AAA	1.33	metafemenino
XX	AAA	0,66	intersexual
X	AAA	0.33	Metamale

Tres genes principales están involucrados en la determinación del sexo de Drosophila. Estos son letales para el sexo, sin hermanas e inexpresivos. Deadpan es un gen autosómico que inhibe sex-lethal, mientras que sisterless se lleva en el cromosoma X e inhibe la acción de deadpan. Una célula AAX tiene el doble de inexpresividad que una sin hermana, por lo que se inhibirá la letalidad sexual y se creará un varón. Sin embargo, una célula AAXX producirá suficientes hermanas para inhibir la acción de Deadpan, lo que permitirá que el gen sex-letal se transcriba para crear una hembra.

Más tarde, el control por parte de los inexpresivos y sin hermanas desaparece y lo que se vuelve importante es la forma del gen sex-letal. Un promotor secundario provoca la transcripción tanto en machos como en hembras. El análisis del cDNA ha demostrado que se expresan diferentes formas en machos y hembras. Se ha demostrado que Sex-lethal afecta el empalme de su propio ARNm. En los hombres, se incluye el tercer exón que codifica un codón de parada, lo que provoca que se produzca una forma truncada. En la versión femenina, la presencia de sex-lettal hace que se pierda este exón; los otros siete aminoácidos se producen como una cadena peptídica completa, nuevamente dando una diferencia entre hombres y mujeres.

La presencia o ausencia de proteínas funcionales letales para el sexo ahora afecta la transcripción de otra proteína conocida como doble sexo. En ausencia de sex-lethal, al doble sexo se le quitará el cuarto exón y se traducirá hasta el exón 6 inclusive (DSX-M[ale]), mientras que en su presencia el cuarto exón que codifica un codón de parada producirá una versión truncada. de la proteína (DSX-F[emale]). DSX-F provoca la transcripción de las proteínas Yolk 1 y 2 en las células somáticas, que se bombearán al ovocito en su producción.

Inmunidad

El sistema inmunitario de D. melanogaster se puede dividir en dos respuestas: humoral y mediada por células. La primera es una respuesta sistémica mediada en gran parte por las vías toll e Imd, que son sistemas paralelos para la detección de microbios. Otras vías, incluidas las vías de respuesta al estrés JAK-STAT y P38, la señalización nutricional a través de FOXO y la señalización de muerte celular JNK, están involucradas en respuestas fisiológicas clave a la infección. D. melanogastertiene un órgano llamado "cuerpo graso", que es análogo al hígado humano. El cuerpo graso es el principal órgano secretor y produce moléculas inmunitarias clave tras la infección, como las serina proteasas y los péptidos antimicrobianos (AMP). Los AMP se secretan en la hemolinfa y se unen a bacterias y hongos infecciosos, matándolos al formar poros en sus paredes celulares o inhibiendo los procesos intracelulares. En cambio, la respuesta inmunitaria celular se refiere a la actividad directa de las células sanguíneas (hemocitos) en Drosophila, que son análogas a los monocitos/macrófagos de los mamíferos. Los hemocitos también poseen un papel importante en la mediación de las respuestas inmunitarias humorales, como la reacción de melanización.

La respuesta inmune a la infección puede involucrar hasta 2423 genes, o el 13,7% del genoma. Aunque la respuesta transcripcional de la mosca al desafío microbiano es altamente específica para patógenos individuales, Drosophila expresa diferencialmente un grupo central de 252 genes tras la infección con la mayoría de las bacterias. Este grupo central de genes está asociado con categorías de ontología génica como respuesta antimicrobiana, respuesta al estrés, secreción, similar a una neurona, reproducción y metabolismo, entre otras. Drosophila también posee varios mecanismos inmunitarios para dar forma a la microbiota y prevenir respuestas inmunitarias excesivas tras la detección de estímulos microbianos. Por ejemplo, los PGRP secretados con actividad de amidasa eliminan y degradan la PGN de ​​tipo DAP inmunoestimuladora para bloquear la activación de Imd.

A diferencia de los mamíferos, Drosophila tiene inmunidad innata pero carece de una respuesta inmune adaptativa. Sin embargo, los elementos centrales de esta respuesta inmune innata se conservan entre humanos y moscas de la fruta. Como resultado, la mosca de la fruta ofrece un modelo útil de inmunidad innata para desentrañar las interacciones genéticas de señalización y función efectora, ya que las moscas no tienen que enfrentarse a la interferencia de los mecanismos inmunitarios adaptativos que podrían confundir los resultados. Diversas herramientas genéticas, protocolos y ensayos hacen de Drosophila un modelo clásico para estudiar el sistema inmunológico innato, que incluso ha incluido la investigación inmunológica en la estación espacial internacional.

La vía de peaje de Drosophila

La primera descripción de los receptores tipo toll implicados en la respuesta a la infección se realizó en Drosophila, lo que culminó con un premio Nobel en 2011. La vía toll en Drosophila es homóloga a las vías tipo toll en los mamíferos. Esta cascada reguladora se inicia luego del reconocimiento de patógenos por parte de los receptores de reconocimiento de patrones, particularmente de bacterias Gram positivas, parásitos e infecciones fúngicas. Esta activación conduce a cascadas de señalización de serina proteasa que finalmente activan la citoquina spätzle. Alternativamente, las proteasas microbianas pueden escindir directamente las serina proteasas como Persephone que luego propagan la señalización.La citocina spätzle actúa entonces como ligando de la vía de peaje en las moscas. Tras la infección, la proteasa SPE (enzima de procesamiento de spätzle [de]) escinde pro-spätzle para convertirse en spätzle activo, que se une al receptor toll ubicado en la superficie celular del cuerpo graso y se dimeriza para la activación de NF-κB corriente abajo. vías de señalización, incluidas proteínas que contienen múltiples dominios de muerte y reguladores negativos como la proteína de repetición de anquirina Cactus. La vía culmina con la translocación de los factores de transcripción NF-κB Dorsal y Dif (factor de inmunidad relacionado con Dorsal) hacia el núcleo. Dudzic et al. encuentre una gran cantidad de mensajeros de serina proteasa compartidos y diafonía entre esta vía y las vías de melanización relacionadas con la inmunidad.

La vía de peaje se identificó por su regulación de péptidos antimicrobianos (AMP), incluido el péptido antifúngico drosomicina. Tras la infección, los AMP aumentan su expresión a veces hasta 1000 veces, proporcionando lecturas inequívocas de la activación de la vía. Otro grupo de efectores similares a AMP regulados por peaje incluye las Bomaninas, que parecen ser responsables de la mayor parte de la defensa inmunitaria mediada por peaje; sin embargo, las Bomaninas solas no exhiben actividad antimicrobiana.

Se ha propuesto que una segunda enzima similar a SPE actúe de manera similar para activar spätzle, ya que la pérdida de SPE no reduce completamente la actividad de la señalización de peaje, sin embargo, aún no se ha identificado una segunda SPE. Aún no se han caracterizado varias serina proteasas, incluidas muchas con homología con SPE. La vía de peaje también interactúa con la filtración renal de peptidoglicano derivado de la microbiota, lo que mantiene la homeostasis inmunitaria. De forma mecánica, los nefrocitos endocitosan la PGN de ​​tipo Lys de la circulación sistémica y la dirigen a los lisosomas para su degradación. Sin esto, la señalización de peaje se activa constitutivamente, lo que resulta en un drenaje severo de las reservas de nutrientes y un estrés significativo en la fisiología del huésped.

La vía de Drosophila Imd

La vía Imd es ortóloga a la señalización de la superfamilia del receptor TNF humano y es desencadenada por bacterias Gram-negativas a través del reconocimiento por proteínas de reconocimiento de peptidoglucano (PGRP), incluidos los receptores solubles y los receptores de superficie celular (PGRP-LE y LC, respectivamente). La señalización de Imd culmina en la translocación del factor de transcripción NF-κB Relish en el núcleo, lo que conduce a la regulación positiva de los genes que responden a Imd, incluida la diptericina AMP. En consecuencia, las moscas deficientes en AMP se parecen a los mutantes de la vía Imd en términos de susceptibilidad a la infección bacteriana. La señalización de imd y Relish específicamente también están involucradas en la regulación de la inmunidad en los epitelios superficiales, incluso en el intestino y las vías respiratorias.

El factor de transcripción Relish también se ha implicado en procesos relacionados con la proliferación celular y la neurodegeneración, ya sea a través de la autofagia o la toxicidad autoinmune. En modelos neurodegenerativos que se basan en la señalización de Imd, la expresión de AMP en el cerebro se correlaciona con daños en el tejido cerebral, lesiones y, en última instancia, con la muerte. Los AMP regulados por sabor, como la defensina y la diptericina, también tienen propiedades anticancerígenas que promueven la eliminación de tumores. La diptericina B AMP regulada por Imd también es producida por el cuerpo graso específicamente en la cabeza, y la diptericina B es necesaria para la formación de la memoria a largo plazo.

Señalización JAK-STAT

Múltiples elementos de la vía de señalización JAK-STAT de Drosophila tienen una homología directa con los genes de la vía JAK-STAT humana. La señalización de JAK-STAT se induce ante diversas tensiones del organismo, como estrés por calor, deshidratación o infección. La inducción de JAK-STAT conduce a la producción de una serie de proteínas de respuesta al estrés, incluidas las proteínas que contienen tioéster (TEP), Turandots y el péptido antimicrobiano putativo Listericina. Los mecanismos a través de los cuales actúan muchas de estas proteínas aún están bajo investigación. Por ejemplo, los TEP parecen promover la fagocitosis de bacterias Gram-positivas y la inducción de la vía toll. Como consecuencia, las moscas que carecen de TEP son susceptibles a la infección por desafíos de la vía de peaje.

La respuesta celular a la infección.

Los hemocitos circulantes son reguladores clave de la infección. Esto se ha demostrado mediante herramientas genéticas para generar moscas que carecen de hemocitos, o mediante la inyección de perlas de microvidrio o gotas de lípidos que saturan la capacidad de los hemocitos para fagocitar una infección secundaria. Las moscas tratadas de esta manera no pueden fagocitar bacterias tras la infección y, en consecuencia, son susceptibles a la infección. Estos hemocitos derivan de dos oleadas de hematopoyesis, una que ocurre en el embrión temprano y otra que ocurre durante el desarrollo desde la larva hasta el adulto. Sin embargo, los hemocitos de Drosophila no se renuevan durante la vida adulta, por lo que la mosca tiene un número finito de hemocitos que disminuyen a lo largo de su vida.Los hemocitos también participan en la regulación de los eventos del ciclo celular y la apoptosis del tejido aberrante (p. ej., células cancerosas) mediante la producción de Eiger, una molécula de señalización del factor de necrosis tumoral que promueve la señalización de JNK y, en última instancia, la muerte celular y la apoptosis.

Genética conductual y neurociencia

En 1971, Ron Konopka y Seymour Benzer publicaron "Clock mutants of Drosophila melanogaster ", un artículo que describe las primeras mutaciones que afectaron el comportamiento de un animal. Las moscas de tipo salvaje muestran un ritmo de actividad con una frecuencia de aproximadamente un día (24 horas). Encontraron mutantes con ritmos más rápidos y más lentos, así como ritmos rotos: moscas que se mueven y descansan en chorros aleatorios. El trabajo durante los siguientes 30 años ha demostrado que estas mutaciones (y otras similares) afectan a un grupo de genes y sus productos que forman un reloj bioquímico o biológico. Este reloj se encuentra en una amplia gama de células de mosca, pero las células portadoras del reloj que controlan la actividad son varias docenas de neuronas en el cerebro central de la mosca.

Desde entonces, Benzer y otros han utilizado análisis conductuales para aislar los genes implicados en la visión, el olfato, la audición, el aprendizaje/memoria, el cortejo, el dolor y otros procesos, como la longevidad.

Siguiendo el trabajo pionero de Alfred Henry Sturtevant y otros, Benzer y sus colegas utilizaron mosaicos sexuales para desarrollar una nueva técnica de mapeo del destino. Esta técnica permitió asignar una característica particular a una ubicación anatómica específica. Por ejemplo, esta técnica demostró que el comportamiento de cortejo masculino está controlado por el cerebro. El mapeo del destino del mosaico también proporcionó la primera indicación de la existencia de feromonas en esta especie. Los machos distinguen entre machos y hembras conespecíficos y dirigen el cortejo persistente preferentemente hacia las hembras gracias a una feromona sexual específica de la hembra que es producida principalmente por los tergitos de la hembra.

William "Chip" Quinn aisló los primeros mutantes de aprendizaje y memoria (burro, colinabo, etc.) mientras estaba en el laboratorio de Benzer, y finalmente se demostró que codifican componentes de una vía de señalización intracelular que involucra AMP cíclico, proteína quinasa A y una transcripción. factor conocido como CREB. Se demostró que estas moléculas también están involucradas en la plasticidad sináptica en Aplysia y mamíferos.

El Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 2017 fue otorgado a Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash, Michael W. Young por sus trabajos con moscas de la fruta para comprender los "mecanismos moleculares que controlan el ritmo circadiano".

Las moscas macho cantan a las hembras durante el cortejo usando sus alas para generar sonido, y se ha caracterizado parte de la genética del comportamiento sexual. En particular, el gen infructuoso tiene varias formas de empalme diferentes, y las moscas macho que expresan formas de empalme femeninas tienen un comportamiento similar al de las hembras y viceversa. Los canales TRP nompC, nanchung e inactive se expresan en las neuronas del órgano de Johnston sensibles al sonido y participan en la transducción del sonido. La mutación del gen Genderblind, también conocido como CG6070, altera el comportamiento sexual de Drosophila, convirtiendo a las moscas en bisexuales.

Las moscas usan una versión modificada de los filtros Bloom para detectar la novedad de los olores, con características adicionales que incluyen la similitud del olor nuevo con el de los ejemplos experimentados anteriormente y el tiempo transcurrido desde la experiencia anterior del mismo olor.

Agresión

Al igual que con la mayoría de los insectos, los comportamientos agresivos entre las moscas macho ocurren comúnmente cuando cortejan a una hembra y cuando compiten por los recursos. Dichos comportamientos a menudo implican levantar las alas y las piernas hacia el oponente y atacar con todo el cuerpo. Por lo tanto, a menudo causa daño en las alas, lo que reduce su estado físico al eliminar su capacidad para volar y aparearse.

Comunicación acústica

Para que ocurra la agresión, las moscas macho producen sonidos para comunicar su intención. Un estudio de 2017 encontró que las canciones que promueven la agresión contienen pulsos que ocurren en intervalos más largos. La secuenciación de ARN de moscas mutantes que muestran comportamientos demasiado agresivos encontró que más de 50 genes relacionados con la audición (importantes para los potenciales de receptores transitorios, la señalización de Ca y los potenciales de mecanorreceptores) estaban regulados al alza en las neuronas AB ubicadas en el órgano de Johnston. Además, los niveles de agresión se redujeron cuando estos genes fueron eliminados a través de la interferencia de ARN. Esto significa el papel principal de la audición como modalidad sensorial en la comunicación de la agresión.

Señalización de feromonas

Aparte de la audición, otra modalidad sensorial que regula la agresión es la señalización de feromonas, que opera a través del sistema olfativo o gustativo, dependiendo de la feromona. Un ejemplo es cVA, una feromona antiafrodisíaca utilizada por los machos para marcar a las hembras después de la cópula y para disuadir a otros machos de aparearse. Esta feromona específica de macho provoca un aumento en la agresión macho-macho cuando es detectada por el sistema gustativo de otro macho. Sin embargo, al insertar una mutación que hace que las moscas no respondan a cVA, no se observaron comportamientos agresivos. Esto muestra cómo existen múltiples modalidades para promover la agresión en las moscas.

Competencia por la comida

Específicamente, cuando compiten por la comida, la agresión ocurre en función de la cantidad de comida disponible y es independiente de cualquier interacción social entre los machos. Específicamente, se descubrió que la sacarosa estimula las neuronas receptoras gustativas, lo cual era necesario para estimular la agresión. Sin embargo, una vez que la cantidad de comida supera cierta cantidad, la competencia entre los machos disminuye. Esto posiblemente se deba a una sobreabundancia de recursos alimentarios. A mayor escala, se descubrió que la comida determinaba los límites de un territorio, ya que se observó que las moscas eran más agresivas en el perímetro físico de la comida.

Efecto de la privación del sueño

Sin embargo, como la mayoría de los comportamientos que requieren excitación y vigilia, se descubrió que la agresión se ve afectada por la privación del sueño. Específicamente, esto ocurre a través del deterioro de la señalización de octopamina y dopamina, que son vías importantes para regular la excitación en los insectos. Debido a la reducción de la agresión, se encontró que las moscas macho privadas de sueño estaban en desventaja en el apareamiento en comparación con las moscas normales. Sin embargo, cuando se administraron agonistas de octopamina a estas moscas privadas de sueño, se observó que aumentaban los niveles de agresión y se restablecía posteriormente la aptitud sexual. Por lo tanto, este hallazgo implica la importancia del sueño en la agresión entre moscas macho.

Transgénesis

Ahora es relativamente simple generar moscas transgénicas en Drosophila, basándose en una variedad de técnicas. Un enfoque para insertar genes extraños en el genoma de Drosophila implica elementos P. Los elementos P transponibles, también conocidos como transposones, son segmentos de ADN bacteriano que se transfieren al genoma de la mosca. Las moscas transgénicas ya han contribuido a muchos avances científicos, por ejemplo, modelando enfermedades humanas como el Parkinson, la neoplasia, la obesidad y la diabetes.

Visión

El ojo compuesto de la mosca de la fruta contiene 760 unidades de ojos u omatidios, y es uno de los insectos más avanzados. Cada omatidio contiene ocho células fotorreceptoras (R1-8), células de soporte, células pigmentarias y una córnea. Las moscas de tipo salvaje tienen células de pigmento rojizo, que sirven para absorber el exceso de luz azul para que la mosca no quede cegada por la luz ambiental. Los genes del color de los ojos regulan el transporte vesicular celular. Las enzimas necesarias para la síntesis de pigmentos se transportan luego al gránulo de pigmento de la célula, que contiene las moléculas precursoras del pigmento.

Cada célula fotorreceptora consta de dos secciones principales, el cuerpo celular y el rabdómero. El cuerpo celular contiene el núcleo, mientras que el rabdómero de 100 μm de largo está formado por pilas de membranas similares a cepillos de dientes llamadas microvellosidades. Cada microvellosidad tiene de 1 a 2 μm de longitud y alrededor de 60 nm de diámetro. La membrana del rabdómero está repleta de alrededor de 100 millones de moléculas de opsina, la proteína visual que absorbe la luz. El resto de las proteínas visuales también están muy apretadas en el espacio de las microvillas, dejando poco espacio para el citoplasma.

Los fotorreceptores en Drosophila expresan una variedad de isoformas de rodopsina. Las células fotorreceptoras R1-R6 expresan rodopsina 1 (Rh1), que absorbe la luz azul (480 nm). Las células R7 y R8 expresan una combinación de Rh3 o Rh4, que absorben luz ultravioleta (345 nm y 375 nm), y Rh5 o Rh6, que absorben luz azul (437 nm) y verde (508 nm), respectivamente. Cada molécula de rodopsina consta de una proteína opsina unida covalentemente a un cromóforo carotenoide, 11-cis-3-hidroxiretinal.

Al igual que en la visión de los vertebrados, la transducción visual en los invertebrados se produce a través de una vía acoplada a la proteína G. Sin embargo, en los vertebrados, la proteína G es la transducina, mientras que la proteína G en los invertebrados es Gq (dgq en Drosophila). Cuando la rodopsina (Rh) absorbe un fotón de luz, su cromóforo, 11-cis-3-hidroxiretinal, se isomeriza a todo-trans-3-hidroxiretinal. Rh sufre un cambio conformacional en su forma activa, metarodopsina. La metarodopsina activa Gq, que a su vez activa una fosfolipasa Cβ (PLCβ) conocida como NorpA.

PLCβ hidroliza el fosfatidilinositol (4,5)-bisfosfato (PIP ₂), un fosfolípido que se encuentra en la membrana celular, en trifosfato de inositol soluble (IP ₃) y diacilglicerol (DAG), que permanece en la membrana celular. DAG o un derivado de DAG hace que se abra un canal iónico selectivo de calcio conocido como receptor potencial transitorio (TRP) y el calcio y el sodio fluyan hacia la célula. Se cree que IP ₃ se une a los receptores IP ₃ en las cisternas subrabdoméricas, una extensión del retículo endoplásmico, y provoca la liberación de calcio, pero este proceso no parece ser esencial para la visión normal.

El calcio se une a proteínas como la calmodulina (CaM) y una proteína quinasa C (PKC) específica del ojo conocida como InaC. Estas proteínas interactúan con otras proteínas y se ha demostrado que son necesarias para cerrar la respuesta a la luz. Además, las proteínas llamadas arrestinas se unen a la metarodopsina y evitan que active más Gq. Un intercambiador de sodio-calcio conocido como CalX bombea el calcio fuera de la célula. Utiliza el gradiente de entrada de sodio para exportar calcio a una estequiometría de 3 Na / 1 Ca.

TRP, InaC y PLC forman un complejo de señalización al unirse a una proteína de andamiaje llamada InaD. InaD contiene cinco dominios de unión denominados proteínas de dominio PDZ, que se unen específicamente a los extremos C de las proteínas diana. La interrupción del complejo por mutaciones en los dominios PDZ o en las proteínas diana reduce la eficacia de la señalización. Por ejemplo, la interrupción de la interacción entre InaC, la proteína quinasa C e InaD da como resultado un retraso en la inactivación de la respuesta a la luz.

A diferencia de la metarodopsina de vertebrados, la metarodopsina de invertebrados se puede convertir nuevamente en rodopsina al absorber un fotón de luz naranja (580 nm).

Aproximadamente dos tercios del cerebro de Drosophila están dedicados al procesamiento visual. Aunque la resolución espacial de su visión es significativamente peor que la de los humanos, su resolución temporal es alrededor de 10 veces mejor.

Se encontró que la ceramida quinasa aumenta la actividad de la ceramida proapoptótica por Dasgupta et al. 2009, y esto aumenta el recambio apoptótico de las células fotorreceptoras.

Aseo

Se sabe que Drosophila exhibe comportamientos de aseo que se ejecutan de manera predecible. Drosophila constantemente comienza una secuencia de aseo usando sus patas delanteras para limpiar los ojos, luego la cabeza y las antenas. Usando sus patas traseras, Drosophila procede a acicalar su abdomen, y finalmente las alas y el tórax. A lo largo de esta secuencia, Drosophila se frota periódicamente las patas para eliminar el exceso de polvo y los desechos que se acumulan durante el proceso de acicalamiento.

Se ha demostrado que los comportamientos de preparación se ejecutan en una jerarquía de supresión. Esto significa que los comportamientos de preparación que ocurren al comienzo de la secuencia evitan que los que vienen después en la secuencia ocurran simultáneamente, ya que la secuencia de preparación consiste en comportamientos mutuamente excluyentes. Esta jerarquía no impide que Drosophila vuelva a los comportamientos de acicalamiento a los que ya se accedió en la secuencia de acicalamiento. Se cree que el orden de los comportamientos de acicalamiento en la jerarquía de supresión está relacionado con la prioridad de limpiar una parte específica del cuerpo. Por ejemplo, es probable que los ojos y las antenas se ejecuten al principio de la secuencia de aseo para evitar que los desechos interfieran con la función de los órganos sensoriales de D. melanogaster.

Caminando

Al igual que muchos otros insectos hexápodos, Drosophila normalmente camina con un andar de trípode. Esto significa que tres de las piernas se balancean juntas mientras que las otras tres permanecen estacionarias o en posición. La variabilidad alrededor de la configuración del trípode parece ser continua, lo que significa que las moscas no exhiben transiciones distintas entre diferentes modos de andar. A velocidades de marcha rápidas (15 a 30 mm/s), la configuración de marcha es principalmente de trípode (3 patas en posición), pero a velocidades de marcha bajas (0 a 15 mm/s), es más probable que las moscas tengan cuatro o cinco patas. instancia. Estas transiciones pueden ayudar a optimizar la estabilidad estática. Debido a que las moscas son tan pequeñas, las fuerzas de inercia son insignificantes en comparación con las fuerzas elásticas de sus músculos y articulaciones o las fuerzas viscosas del aire circundante.

Además de la estabilidad, también se cree que la robustez de un modo de andar es importante para determinar el modo de andar de una mosca a una determinada velocidad de marcha. La robustez se refiere a la cantidad de desplazamiento en el tiempo de una postura de piernas que se puede tolerar antes de que la mosca se vuelva estáticamente inestable. Por ejemplo, una marcha robusta puede ser particularmente importante cuando se atraviesa un terreno irregular, ya que puede causar interrupciones inesperadas en la coordinación de las piernas. Usar un paso robusto ayudaría a la mosca a mantener la estabilidad en este caso. Los análisis sugieren que Drosophila puede exhibir un compromiso entre la marcha más estable y la más robusta a una velocidad de marcha determinada.

Vuelo

Las moscas vuelan a través de secuencias rectas de movimiento intercaladas por giros rápidos llamados movimientos sacádicos. Durante estos giros, una mosca puede girar 90° en menos de 50 milisegundos.

Las características del vuelo de Drosophila pueden estar dominadas por la viscosidad del aire, en lugar de la inercia del cuerpo de la mosca, pero puede ocurrir el caso opuesto con la inercia como fuerza dominante. Sin embargo, el trabajo posterior mostró que si bien los efectos viscosos en el cuerpo del insecto durante el vuelo pueden ser insignificantes, las fuerzas aerodinámicas en las propias alas en realidad hacen que los giros de las moscas de la fruta se amortigüen viscosamente.

Conceptos erróneos

Drosophila a veces se denomina plaga debido a su tendencia a vivir en asentamientos humanos, donde se encuentran frutos en fermentación. Las moscas pueden acumularse en casas, restaurantes, tiendas y otros lugares.

El nombre y el comportamiento de esta especie de mosca ha llevado a la idea errónea de que es un riesgo de seguridad biológica en Australia. Mientras que otras especies de "mosca de la fruta" representan un riesgo, D. melanogaster se siente atraída por la fruta que ya se está pudriendo, en lugar de causar que la fruta se pudra.