مگس سرکه

رده‌بندی زیستی و جایگاه آرایه‌شناسی

دروزوفیلا ملانوگاستر (نام علمی: Drosophila melanogaster)، گونه‌ای از جنس دروزوفیلا (نام علمی: Drosophila sp.) و از ردهٔ حشرات (راستهٔ آرایه‌شناسی دوبالان) در خانوادهٔ Drosophilidae است. این‌گونه، عموماً به نام «مگس میوهٔ معمولی» «یا مگس سرکه» شناخته می‌شود.

آغاز به‌کارگیری در آزمایش‌ها

در آغاز با پروپوزال کاربرد این‌گونه به عنوان یک اندامگان نمونه (model microorganism) از چارلز دابلیو وودوُرث، D. melanogaster به‌طور گسترده‌ای در پژوهش‌های زیست‌شناسی، در مطالعات ژنتیک، تن‌کردشناسی، بیماری‌زایی ریزاندامگانی، و فرگشت پیشینهٔ زندگی به کار برده شد.

ویژگی‌های ریخت‌شناسی

مگس‌های میوهٔ نوع وحشی، به رنگ زرد-قهوه‌ای با چشمان قرمز آجری و حلقه‌های سیاه عرضی در سراسر شکم هستند. آن‌ها دودیسی جنسی را نشان می‌دهند: ماده‌ها نزدیک به ۲٫۵ میلی‌متر (۰٫۰۹۸ اینچ) طول دارند و نرها کمی کوچک‌تر با پشت تیره‌تر هستند. نرها به آسانی براساس تفاوت‌های رنگ، از ماده‌ها متمایز می‌شوند؛ همچنین با یک تکهٔ متمایز سیاه (کمتر دیده‌شده در مگس‌های نوظهور) در سطح شکمی (نگارهٔ ۱ را ببینید) و شانه‌های جنسی (ردیفی از موهای تیره بر روی قوزک نخستین پا).

چرخهٔ زندگی

پس از لقاح و پدیدآمدن زیگوت، مراحل رشد و نمو رویانی در داخل غشاهای تخم انجام می‌شود و لارو از تخم خارج می‌شود. سپس با تغذیه و رشد خود، در نهایت به شفیره تبدیل می‌شود. لاروها سفید رنگ و بند بند، بدون پا و زواید بدنی و در ناحیه سر، دارای قلاب‌های آرواره‌ای به رنگ سیاه هستند. در این مرحله، رشد حشره سریع است و غذای فراوانی می‌خورد، ولی هنوز بال ندارد. پس از آن، شفیره تکامل پیدا کرده و حشرهٔ کامل یا بالغ ظاهر می‌شود.

تغذیه و رشد

مگس سرکه، به بوی تخمیر و سرکه جلب می‌شود و مخمرهای عامل گندیدگی میوه‌ها را با خود بر روی میوه‌های گندیده یا رسیده حمل می‌کند و در آن‌جا کشت می‌دهد تا بستری برای تخم‌ریزی فراهم شود. مگس‌های کامل و لاروهای آن‌ها، در محیط‌های اسیدی و تخمیری زندگی می‌کنند و در محل تغذیه‌شان معمولاً میکروارگانیسم‌هایی مثل باکتری‌ها و قارچ‌ها نفوذ می‌کند و تکثیر می‌یابد.
مگس کامل از ریسه‌های روی کمپوست تغذیه می‌کند، در داخل کمپوست تخم‌ریزی می‌نماید و پس از طی مراحل بالا، لارو را به‌وجود می‌آورد. لاروها شروع به تغذیه از ریسه‌های داخل کمپوست می‌کنند و اگر بر روی کمپوست قارچی وجود داشته باشد، از طریق پایه وارد کلاهک می‌شوند و کانال‌ها و دالان‌های فراوانی را در آن ایجاد خواهند کرد.

بستگی به دمای پیرامون

طول مراحل چرخهٔ زندگی مگس سرکه، تحت تأثیر دمای محیط، متغیر است؛ به‌طوری‌که در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد، متوسط دورهٔ تخم و لارو، ۸ روز است و در دمای ۲۵ درجه، این مدت به ۵ روز کاهش می‌یابد. در دمای ۳۰ درجهٔ سانتیگراد در اثر تنش دمایی، متوسط مدت زمان تخم تا جاندار بالغ، ۱۱ روز است؛ در دمای ۲۸ درجه، مدت زمان تکوین به ۷ روز کاهش می‌یابد (بهترین دما)؛ این در حالی است که چرخهٔ تکوین در دماهای ۲۵، ۱۸ و ۱۲ درجه -در تنش سرما- (به ترتیب) تا ۸٫۵ روز، ۱۹ روز و بیش از ۵۰ روز افزایش خواهد یافت.
هرگاه دمای محیط از دمای بهینه (۲۵ تا ۲۸ درجهٔ سانتیگراد) پایین بیاید، قدرت زاد و ولد کم می‌شود؛ به‌گونه‌ای که سرانجام، در زیر ۱۶ درجهٔ سانتیگراد، باعث از بین رفتن مگس‌ها می‌گردد. همچنین اگر دمای محیط بالاتر از ۳۰ درجهٔ سانتیگراد باشد، در پایان منجر به عقیم شدن حشرهٔ نر و از بین رفتن آن‌ها خواهد شد.

نمو (سلولی و ملکولی)

تعیین‌کننده‌ها ترکیب‌های ویژه‌ای هستند که در برخی مجموعه‌های یاخته‌ای در مراحل جنینی یافت می‌شوند و عاملی برای تمایز اندام‌ها و بخش‌های خاصی از بدن می‌باشند. در بدن لارو مگس سرگه نواحی به نام صفحه‌های زایا وجود دارند، هر جفت صفحهٔ روبروی هم، تعیین‌کنندهٔ اندام ویژه‌ای مثل بال‌ها، پاها و هالترها هستند (نگارهٔ ۴ را ببینید).
برهم‌کنش‌های یاخنه‌ها بر تمایز یاخته‌ای اثر زیادی دارد. به تدریج که نمو پیشرفت می‌کند، جنبش‌ها و برهم کنش‌های یاخته‌ها بیشتر می‌شود. برای مثال، در مرحلهٔ گاسترولا، جابجایی یاخته‌ها موجب درون‌برگشتگی رویان می‌شود و به دنبال آن، تعداد زیادی از یاخته‌ها به درون برگشتگی (نوتوکورد)، اکتودرم را برای تبدیل به عصب، القا می‌کنند.
در جانداران پریاخته‌ای یاخته‌های بافت‌های متفاوت می‌توانند به حالت موزون همکاری کنند. یاخته‌ها می‌توانند برهم اثر بگذارند و این برهمکنش‌ها می‌تواند در فواصل نزدیک یا دور انجام شود. برهمکنش‌های در فواصل دور مثل القاهای جنینی با انتشار مواد شیمیایی برقرار می‌شوند. در بیشتر موارد، برهمکنش‌ها در فواصل نزدیک یا در نتیجهٔ تماس یاخته‌ها انجام می‌شوند. اهمیت ویژگی‌های بازشناسی سطح یاخته‌ها در برخی موارد و از جمله هنگام نمو دستگاه عصبی به خوبی مشخص می‌شود. در این هنگام میلیون‌ها نورون بایستی همتای مناسب خود را بیابند و با آن اتصال‌های سیناپسی را که برای جریان‌های عصبی پیچیده لازم است برقرار کنند.
با وجود پژوهش‌های زیاد، ساختار شیمیایی مواد قابل انتشار که در القای جنینی دخالت دارند، هنوز به خوبی شناخته نشده‌است. القاکننده‌ها و تعیین‌کننده‌ها، نمونه‌هایی از این ترکیبات هستند.
القاکننده‌ها ترکیبات پیچیده‌ای هستند که اغلب در مراحل ابتدایی نمو جنینی از لایه‌های سه‌گانه اکتودرمی، مزودرمی و آندودرمی ترشح می‌شوند و موجب القای تشکیل اندام خاصی می‌گردند برای مثال تشکیل لولهٔ عصبی از اکتودرم به وجود لایه مزودرمی زیر آن نیاز دارد (تجربهٔ اسپمن) زیرا القاکننده‌ها از مزودرم به اکتودرم می‌رسند. پیوند این صفحه‌ها به بدن حیوان بالغ، موجب بروز اندامی که تعیین‌کنندهٔ آن نمی‌شود، اما اگر آن‌ها را به بدن لارو مگس سرگه، در محلی غیر از جایگاه اصلی پیوند بزنیم، اندام خاص خود را تولید خواهند کرد. این توانایی تا سال‌های طولانی در صفحه‌های زایا حفظ می‌شود (لایه‌های زایندهٔ جنینی -اکتودرم، مزودرم و آندودرم- حد واسط حالت پرتوان و یک‌توان هستند؛ پس می‌گوییم چندتوان هستند). تجربه‌های انجام شده نشان داده‌اند که اگر این صفحه‌های زایا را تا نسل‌های متوالی (۱۸۰۰ نسل، طی ۹ سال) به مگس سرکهٔ بالغ پیوند بزنیم و سپس آن‌ها را به لارو مگس سرکه پیوند کنیم، اندام ویژهٔ وابسته به خود را به وجود می‌آورند.

کروموزوم پلی‌تن

کروموزوم‌های پلی‌تن (نام علمی: Polytene chromosomes)، کروموزومهای بزرگ‌تر از اندازهٔ ویژه‌ای هستند که از کروموزوم‌های استاندارد پرورش می‌یابند و عموماً در غدد بزاقی مگس سرکه (نام علمی: Drosophila melanogaster) یافت می‌شوند. سلول‌های تخصص‌یافته‌ای، تحت تأثیر رونویسی‌های پی‌درپی ِDNA (رونویسی رمزهای دنایی) بدون تقسیم یاخته (اندومیتوز)، یک کروموزوم غول‌آسای پلی‌تن را می‌سازند تا حجم یاخته را افزایش دهند. ساختار کروموزوم‌های پلی‌تن، در هنگام چندین دور رونویسی پی‌درپی ِDNA، کروماتیدهای خواهری زیادی را می‌سازد.

ویژگی‌های ژنی و کروموزومی

در ساختار کروموزوم پلی‌تن مگس سرکه، کروموزوم شمارهٔ ۴ و کروموزوم X، بازو ندارد. کروموزوم‌های بزرگ شماره ۲ و ۳، متاسانتریک هستند (سانترومر در مرکز آن‌ها قرار دارد)؛ در نتیجه، هر یک دارای دو بازوی راست و چپ هستند. کروموزوم‌های ۴ و X، بازویی ندارند؛ چرا که تلوسانتریک هستند (سانترومر آن‌ها در انتهای کروموزوم قرار دارد). ساختار کروموزوم پلی‌تن، هم در مگس سرکهٔ نر و هم در ماده وجود دارد، ولی در جنس ماده، کروموزوم Y وجود ندارد (نگارهٔ ۳ را ببینید). چرا که کروموزوم Y به صورت هتروکروماتینی است و در منطقهٔ عغغ قرار دارد؛ در نتیجه، در جنس نر دیده نمی‌شود. در بازوی R2، در قسمتی کروموزوم‌های همولوگ از هم جدا هستند. بررسی‌های گوناگونی، این فاصله را در کروموزوم‌های دیگر (مانند L3) نیز نشان داده‌اند (نگارهٔ ۵ را ببینید).
در مگس سرکه حدود ۲۰ ژن دارای هومیوباکس وجود دارد که حدود ۱۵تای آن‌ها بررسی شده‌اند و مشخص شده‌است که تمامی آن‌ها قطعه‌بندی مگس سرگه را کنترل می‌کنند. تمام ژن‌های هومیوباکس مگس سرکه جز یکی از آن‌ها که در یاخته‌های خلفی قرار دارد و در ایجاد قطبیت پشتی-شکمی جنین مؤثر است، در دو مجموعهٔ مجزا به نام «Ant–C» و «Bx-C»، مجاور هم و بر روی بازوی راست کروموزوم ۳ قرار دارند (نگارهٔ ۶ را ببینید). برخی ژن‌های دارای هیومباکس نیز در قسمت‌های دوردست ژنوم و در نواحی دیگری از آن (جز محل ۲ مجموعه) مشاهده شده‌است.

همانندی با ژنوم انسان

حدود ۷۵ درصد از ژن‌های شناخته شدهٔ بیماری‌های انسانی، یک همتای قابل تشخیص در ژنوم مگس‌های میوه دارد و ۵۰ درصد از توالی‌های پروتئینی مگس، همولوگ‌های پستانداری دارد. یک پایگاه دادهٔ برخط (online database) به نام Homophila برای جستجوی همتاهای ژنی بیماری‌های انسانی در مگس‌ها و برعکس، در دسترس است. دروزوفیلا (Drosophila)، به عنوان یک مدل ژنتیکی برای بیماری‌های مختلف انسانی، شامل اختلالات انحطاط عصبی پارکینسون، هانتینگتون، عدم تعادل مخچه‌ای (SCA) و بیماری الزایمر استفاده می‌شود. مگس سرکه، همچنین برای مطالعهٔ سازوکارهای پیری اساسی و تنش اکسیداتیو، ایمنی، دیابت و سرطان، به‌علاوهٔ سوء مصرف‌های دارویی مورد استفاده قرار گرفته‌است.

سازوکار مولکولی تمایززایی

در اکثر یروکاریوت‌ها، DNA در اثر متیلاسیون در موقعیت ۵ سیتوزین، تغییراتی پیدا می‌کند. اغلب ژن‌های فعال یا دارای توان فعالیت، به این ترتیب متیله می‌شوند. اساس مولکولی این پدیده هنوز ناشناخته است. تصور می‌شود که گروه‌های متیل موجود در شیار بزرگ DNA می‌توانند بیان ژن‌ها را با افزایش و کاهش میل ترکیبی DNA با پروتئین‌های تنظیمی مهارکننده یا فعال‌کننده، تنظیم کنند.
در طول مرحلهٔ S، هنگامی که چنگال همانندسازی DNA از میان دی‌نوکلئوتید ۳َـCPGـ۵َ می‌گذرد، هر یک از مارپیچ‌ها دختر به‌طور موقت نیمه‌متیله هستند (تنها رشتهٔ قدیمی متیله است). اگر هیچ راهی برای ترمیم این گروه متیله وجود نداشته باشد، به سرعت و طی زایش‌های بعدی، گروه متیله در جمعیت کاهش می‌یابد، اما متیلاسیون به ارث می‌رسد. به نظر می‌رسد که یاختهٔ دارای یک آنزیم متیلاز دایمی، در یاخته‌های یوکاریوتی وجود دارد و نیز متیلاسیون توانایی تنظیم فعالیت ژنی را دارد، می‌توان نتیجه‌گیری کرد که متیلاسیون در دی نوکلئوتید ۳َـCPGـ۵َ، راهی برای پایداری حالت تمایز در یوکاریوت‌ها است. اگر DNA ژنومی در یاخته‌های جنسی یا در برخی از یاخته‌های بسیار ابتدایی جنینی به‌طور خود به خود به نوعی متیلاسیون برای جلوگیری از تمایز دست می‌یابد، پس متیلاسیون و دِمتیلاسیون در جایگاه‌های خاصی از کروموزوم می‌تواند در بیان برنامه‌ریزی شدهٔ ژن‌ها در طول تکوین نقشی ایفا نماید. مسئلهٔ اصلی در این مورد این است که متیلاسیون با دِمتیلاسیون، خود چگونه تنظیم می‌گردد. همهٔ متیلازهای دایمی یوکاریوتی که تاکنون شناخته شده‌اند، در فعالیت خود، غیراختصاصی عمل می‌کنند. هر دی نوکلئوتید CPG که در اختیار این آنزیم‌ها قرار گیرد، متیله می‌شود. پذیرفته شده که عوامل دیگری مانند پروتئین‌های تنظیم‌کننده که اتصال‌های اختصاصی دارند یا تغییر ساختاری کروماتین، برای در دسترس قراردادن سیتوزین‌ها عمل می‌کنند.

یافتن جنسیت برپایهٔ فنوتیپ

با مشاهدهٔ ویژگی‌های ظاهری مگس زیر میکروسکوپ نوری، می‌توان به جنسیت آن پی برد (نگارهٔ ۷ را ببینید).
* جنس نر: کوچکتر، تیره‌تر (این ویژگی، خیلی تشخیصی نیست؛ یعنی همیشه نمی‌توان بر پایهٔ رنگ بدن به آسانی نر و ماده را متمایز کرد)، دارای باند (نوار) تیرهٔ پهن در بند انتهایی بدن، دارای انتهای بدن بیضی‌شکل، دارای شکم ۵ بند، و دارای نقطه‌ای سیاه در پدیپالپ، (که شانهٔ جنسی نام دارد) است.
* جنس ماده: بزرگتر، روشن‌تر، دارای باند (نوار) تیرهٔ انتهایی نازک‌تر، دارای انتهای بدن نوک تیز و نیزه مانند، دارای شکم ۷ بند و فاقد شانهٔ جنسی است.

فرایند گامت‌زایی و نمو یاخته‌های جنسی

در دروزوفیلا، سلول‌های جنسی بدوی، به صورت دسته‌ای از سلول‌هایی به نام سلول‌های قطبی (Pole cells) در ناحیهٔ قطبی بلاستودرم به وجود می‌آیند. برخی از هسته‌ها در نهمین تقسیم هسته‌ای، به طرف ناحیهٔ عقبی مهاجرت می‌کنند و توسط پلاسم قطبی (Pole plasm) احاطه می‌شوند. پلاسم قطبی، مجموعه‌ای از میتوکندری‌ها، فیبریل‌ها و دانه‌های قطبی (Pole granules) می‌باشد. اگر هسته‌های سلول قطبی، توسط پلاسم قطبی احاطه نشود، سلول‌های زاینده به وجود نمی‌آیند. یکی از ترکیبات پلاسم قطبی mRNAـی، ژن (gcl (Germ cell-less است. ژن gcl، در سلول‌های پرستار تخمدان بیان شده و mRNAی آن‌ها به تخمک منتقل می‌شود. این mRNA در داخل تخمک، عقبی‌ترین ناحیهٔ آن منتقل می‌گردد؛ این ناحیه، به پلاسم قطبی تبدیل می‌شود. این mRNA در مراحل اولیهٔ تسهیم، به پروتئین بیان می‌شود. تصور می‌شود که پروتئین حاصله از ژن gcl، وارد هسته شده و برای ایجاد سلول قطبی نیز ضروری می‌باشد. در حشراتی که ژن gcl آن‌ها جهش یافته باشد، سلول‌های زاینده وجود ندارد.
علاوه بر پروتئین gcl، پروتئین‌هایی نظیر اسکار(Oskar)، نانوس (Nanos) و واسا (Vasa) نیز در پلاسم زایندهٔ برخی از گونه‌ها وجود دارد که در ایجاد سلول‌های زایندهٔ بدوی دخالت دارند.
گروهی دیگری از ترکیبات که در پلاسم زاینده وجود دارد، RNAی ریبوزومی-میتوکندریایی (mtr=ribosomal mitochondrial RNA) است که در ایجاد سلول‌های جنسی بدوی دخالت دارد. در تخمک‌های طبیعی حشرات، rRNAهای میتوکندریایی کوچک و بزرگ در بیرون میتوکندری و فقط در پلاسم قطبی جنین‌ها در مرحلهٔ تسهیم وجود دارد که به صورت دانه‌های قطبی دیده می‌شود. ترکیب دیگری که در پلاسم قطبی دروزوفیلا و همچنین در دانه‌های قطبی وجود دارد، یک RNAی غیرقابل ترجمه به نام ترکیب دانهٔ قطبی (Polar granule component) می‌باشد. عمل این ترکیب معلوم نیست؛ ولی در حشرات ترانس‌ژنی که فاقد این ترکیب هستند، سلول‌های زایندهٔ بدوی، قادر به مهاجرت به گنادها نیستند.
در طی جنین زایی دروزوفیلا، سلول‌های زایندهٔ بدوی، از قطب عقبی به غدد جنسی مهاجرت می‌کنند. اولین مرحله از این مهاجرت، به صورت غیرفعال است و طی آن ۳۰ تا ۴۰ سلول توسط حرکات گاسترولاسیون به لولهٔ گوارش عقبی جابجا می‌شوند. در دومین مرحله، اندودرم لولهٔ گوارشی باعث شروع حرکت آمیبی در سلول‌های جنسی بدوی می‌شود که از طریق انتهای کور بخش عقبی لولهٔ گوارش میانی، به مزودرم جداری مهاجرت می‌کنند. در سومین مرحله، سلول‌های زایندهٔ بدوی به دو گروه تقسیم می‌شود و هر یک از آن‌ها در رابطه با جوانهٔ غدد جنسی در حال رشد قرار می‌گیرند. در چهارمین مرحله، سلول‌های زایندهٔ بدوی به درون غدد جنسی مهاجرت می‌کنند. غدد جنسی از مزودرم جانبی به وجود می‌آیند. به نظر می‌رسد که محصول ژن وونن (Wunen) مسئول هدایت مهاجرت سلول‌های زایندهٔ بدوی از اندودرم به مزودرم است. این پروتئین، درست قبل از مهاجرت PGC در اندودرم بیان می‌شود. پروتئین دیگری که در مهاجرت صحیح دخالت دارد، محصول ژن کلمبوس (Columbus) می‌باشد. در آخرین مرحله، غدد جنسی در اطراف سلول‌های زاینده بدوی قرار می‌گیرد و به سلول‌های زاینده اجازهٔ تقسیم می‌دهد و گامت‌ها بالغ می‌شود.

نقش آفتی

دروزوفیلا (Drosophila)، معمولاً به دلیل گرایشش به تهاجم به منازل و ابنیه‌ای که در آن‌ها میوه یافت می‌شود، یک آفت در نظر گرفته می‌شود. مگس‌ها ممکن است در خانه‌ها، رستوران‌ها، فروشگاه‌ها و اماکن دیگر تجمع یابند. از بین بردن یک تهاجم، می‌تواند دشوار باشد؛ حتی زمانی که جمعیت بزرگسال (بالغ) هم نابود شده باشد، به‌عنوان یک لارو، می‌تواند در میوهٔ مجاور، به بیرون آمدن از تخم ادامه دهد.