Biyoloji ve tıpta çok yönlü bir model: Droshophila melanogaster

Bilim için model organizma olarak kullanılabilecek canlılar birçok etik engelle karşı karşıya kalırlar. Bu nedenle hücre ve dokularla alakalı öğrendiğimiz bilgilerin birçoğu fareler gibi model organizmaların kullanıldığı kaynaklara dayanmaktadır. Droshophila, genetik ve kalıtım, embiyolojik gelişim, öğrenme, davranış ve yaşlanma dahil olmak üzere biyolojik süreçleri incelemek için 100 yılı aşkın bir süredir model organizma olarak kullanılmaktadır. İnsanlar ve meyve sinekleri çok benzer olarak görülmese de, gelişmeyi ve hayatta kalmayı kontrol eden temel biyolojik mekanizmaların çoğunun bu türler arasındaki evrim boyunca korunduğunu anlaşılmaktadır. Droshophila’nın labaratuvarda ilk kullanımı 1901’de Hardvard’da William Castle’nin çalışma grubu tarafından gerçekleştirilmiştir. Ancak Droshophila araştırmalarının ”babası” şüphesiz ki Thomas Hunt Morgan’dır. Morgan ilk olarak Gregor Mendel tarafından önerilen kalıtım teorisini, genleri tanımlamak için Droshophilayı kullanarak bunların kromozom içerisinde bulunduğunu, DNA’nın genetik materyel olduğu tespit edilmeden çok daha önce keşfetmiştir.

Ek Not: DNA 1953 yılında James D. Watson ve Francis Crick tarafından resmen keşfedilmiştir.

Morgan, kromozomun kalıtımdaki rolüne ilişkin yaptığı araştırmalardan dolayı 1933 yılında Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nü kazanmıştır.

Morgan’ın ”çıraklarından” biri olan Hermann Müller, 1946’da canlı hücrelerin gen ve kromozomlarına X ışını uygulamalarıyla gen değişimi olabileceğini keşfetmiş ve aynı yıl Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nü almıştır.

1920’lerde Droshophilayı kullanan Müller, X ışınlarının genlerin mutasyonu oranında büyük artışa neden olduğu ve aslında kromozomları parçalayabileceğini keşfetti. X ışınına maruz bırakılmış sinekler normal olarak görünse de yavruları genellikle mutasyon etkilerini göstermektedir. Bu gelişme ile radyasyona maruz kalan insanların çocuklarında genetik bozulmaların olabileceği anlaşılmıştır. Bu keşfin insanlığın fisyon çalışmalarına başlamasına denk bir dönemde gerçekleşmesi insanlık için oldukça önemlidir.

Son kırk yılda, Droshophila, genlerin bir embriyonun gelişimini tek bir hücreden olgun çok hüvreli organizmaya nasıl yönlendirdiğini anlamak için kullanılan baskın bir model haline geldi. 1995 yılında Christiane Nüsslein-Volhard, Eric Wieschaus ve Ed Lewis Erken embriyonik gelişimin genetik kontrolüne ilişkin araştırmalarından dolayı Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü’nü kazanmıştırlar.

Sinek gelişimi için önemli olarak gösterilen genlerin birçoğu insanlar da dahil olmak üzere birçok hayvan için oldukça önemlidir. Bir insan ile bir sineğin yapısı büyük ölçüde farklılık gösterse de temel yapıtaşlarının çoğu evrim yoluyla korunmuştur. Ayrıca çarpıcı bir biçimde benzerlik göstermektedir. 1999’da Craig Venter ve meslektaşları insan genomunu sıralamak için ”av tüfeği” yaklaşımının pratikliğini kanıtlamak için Droshophila genomunu bir test yatağı olarak kullandılar. Bu yaklaşım işe yaradı ve Droshophila genom diziliminin ilk sürümü, insan genomundan 11 ay önce Mart 2000’de yayınlandı.

Droshophila genomunun sekansı ve açıklaması herkese açık olarak sunulmaktadır. Droshophila için kullanıma sunulmuş çevrimiçi veritabanı olan ”Flybase” ‘de tüm bilgiere erişilebilir.

Tüm dizili Droshophila ve insan genomu arasındaki karşılaştırmalar, bilinen insan hastalık genlerinin %75’ini meyve sineklerinin genomlarıyla tanınabilir bir eşleymeye sahip olduğunu ve tıbbi araştırmalar için model orhanizma olarak meşruiyetini pekiştirdiğini ortaya koymuştur. Şu anda Droshophila’da 14.000 gen olduğu tahmin edilmektedir.

Droshophilanın Yaşam Döngüsü

Droshophilanın yaşam döngüsü kelebek ve farksızdır. Droshophila dör aşamalı bir yaşam döngüsünden geçmektedir. Bunlar; yumurta, larva, pupa ve sinek evreleridir. Döllendikten sonra embriyo yumurtadan larva olarak çıkmadan yaklaşık bir gün önce (25°C) gelişir. Metamorfoz sırasında embriyonik ve larva dokusunun çoğu yok edilmektedir. Erişkin dokular (örneğin kanat, bacak ve göz gibi) erken embriyonik gelişimden beri kenara bırakılmış “hayali diskler” olarak bilinen hücre gruplarında gelişmektedir.

Droshophila tıpkı insanlar gibi gelişkin dokularını yenileyemezler. Örneğin bir sineğin kanadı koptuğunda yeni bir kanat oluşumu asla gerçekleşmez. Bununla birlikte majinal diskler, belli koşullarda hasar gördüğünde yenilenme yeteneğine sahiptir ve son yıllarda doku rejenerasyonunun genetiğini incelemek için oldukça önemli bir model sistem sağlamıştır.

Droshophila İle Çalışmak

Droshophila ile çalışmak diğer birçok model organizmaya göre çok daha ucuzdur. Genetiğin ve kalıtımın temel ilkelerini göstermek için uygun olan droshophila lise biyoloji derslerinde dahi bu konuları anlatmak için kullanılmaktadır.

Drosophila larvaları ve pupaları içeren bir şişe.
Kaynak: Researchgate

Droshophila dişileri, 20 güne kadar günde yaklaşık 100 yumurta bırakabilmektedir. Bir embriyonun verimli bir sineğe dönüşmesi 25°C’de yaklaşık 10 gün sürmektedir. Bu nedenle gerekirse deneysel bir çalışma için çok sayıda embriyo ve sinek üretmek çok zor olmayacaktır. Droshophilalar, yaygın olarak meyve sineği olarak anılsa da genellikle meyvelerle değil, meyvelerde oluşan mayalarla beslenmektedirler. Başlangıçta labaratuvarda sinekler çürüyen muz küspesi içeren şişelerde tutulurlardı ancak bu son zamanlarda genellikle su, mısır unu, maya, soya unu ve malt özü içeren karışımdan yapılan jöle benzeri gıda içeren şişelerde tutmak en yaygın uygulanan yöntemdir. Bu karışım sineklerin batmaması için yeterince sert, larvaların sürünerek beslenebilmesi için ise yeterince yumuşak olmalıdır.

Rejeneratif biyoloji ve tıp için bir model olarak Drosophila

Doku rejenerasyonunun altında yatan biyoloji hakkındaki anlayışımızın çoğu, Drosophila dahil olmak üzere model organizmaları kullanan deneylerden gelir. Yaralanma bölgesinde doku rejenerasyonunu uyarmak veya dokuları yeniden oluşturmak için hangi gen ürünlerinin dahil olduğunu ve birbirleriyle nasıl etkileşime girdiklerini anlamak gerekir. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, doku rejenerasyonu sırasında aktive olduğunu bildiğimiz yollar ve süreçler ilk olarak embriyonik gelişim sırasında kullanılır. Her iki bağlamda da, hücreler sayılarını artırmak için bölünmeli ve daha sonra bölünmeyi durdurup belirli konumlardaki belirli hücre tiplerine farklılaşmalıdır. Bu olaylar, hayvanlarda bulunan karmaşık organ ve dokulara yol açmak ve ayrıca kontrolsüz hücre bölünmesini ve uygunsuz farklılaşmayı, yani kanseri önlemek için yüksek düzeyde düzenlenmelidir.

Drosophila hayali disklerinin rejeneratif kapasitesi 40 yılı aşkın bir süredir incelenmektedir. Yetişkin dişi sineklerin karınlarına nakledilen hayali disk parçaları birkaç gün hayatta kalabilmektedir. Bu disklerdeki hücreler çoğalır, ancak farklılaşmazlar. Buna karşılık, larvalara nakledilen hayali disklerin parçaları (pupa olmadan hemen önce), başlangıçta hedeflendikleri dokuya farklılaşır. Bununla birlikte, farklı sinek karınlarında tekrar tekrar kültürlenen diskler (hücreler çoğalırken), “transdeterminasyon” gösteren alternatif bir dokuya farklılaşabilir. Böylece, disklerin gelecekteki kimliğinin embriyonik gelişimin erken döneminde belirlenmesine rağmen, farklılaşmanın başlamasına kadar sabit olmadığı sonucuna varıldı. Bir başka ilginç gözlem, larvalarda farklılaşmaya izin verilmeden önce yetişkin konaklarda kültürlenen hayali disklerin, disk parçasının kesin kökenine bağlı olarak dokuyu ya yenileyecek ya da çoğaltacak olmasıdır. Bu klasik gözlemler, o zamandan beri bir dereceye kadar genetik analizden çıkarsanan temel moleküler desenleme yollarının anlaşılmasından çok önce yapıldı.

Son çalışmalar, yara iyileşmesi için bir model olarak Drosophila’yı kullanmıştır. Yara iyileşmesini sağlayan moleküler makine ve mekanizmaların, Drosophila embriyosunda dorsal kapanma adı verilen bir süreç de dahil olmak üzere hayvan gelişimi sırasında doku füzyon olaylarında bulunanlara benzediği ortaya çıkıyor. Transgenik Yeşil Floresan Protein (GFP) füzyon genlerini (örneğin, aktin-GFP) hızlandırılmış görüntüleme ile birlikte kullanan zarif çalışmalar, Drosophila embriyolarında dorsal kapanma ve yara iyileşmesi sırasında hücre şekli değişikliklerinin ve hareketlerinin kesin sırasını ortaya çıkardı. Bu arada, genetik analiz, bu süreçleri yönlendiren ve aracılık eden birçok faktör ve yolu tanımlamıştır. Yaralanma sonrası doku rejenerasyon tepkisi oldukça karmaşık olmasına rağmen, genellikle hücre proliferasyonunun aktivasyonunu (kayıp hücrelerin yerini almak için) ve ardından hücre kaderinin belirlenmesini (yeni dokunun modellenmesi) ve istenen dokuyu oluşturmak için hücrelerin farklılaşmasını içerir. Olgun organizmalarda proliferasyonun kontrolü, tümörleri önlemek için sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir; bu nedenle çoğu yetişkin dokusu çok sınırlı yenilenme kapasitesine sahiptir. Yetişkin dokularındaki kök hücreler, kendilerini yenilemek için bölünme yeteneğine sahip oldukları ve ayrıca bağlamsal ipuçlarına yanıt olarak farklılaşan yavru hücreler ürettikleri için rejenerasyon için kritik öneme sahiptir. Tipik olarak, kök hücreler yetişkin dokularda nadiren bölünür, ancak hücre kaybı veya yaralanmasına yanıt olarak daha hızlı bölünmeleri için uyarılabilirler. Drosophila’yı kullanan çalışmalar, tüm hayvanlarda kök hücre aktivitesini düzenleyen moleküler yolakları anlamamıza önemli bir katkı sağlamıştır. Örneğin, ilk olarak Drosophila’da stres veya hasara yanıt olarak programlanmış hücre ölümüne (apoptoz) maruz kalan hücrelerin, doku rejenerasyonunu başlatmak için kök hücre proliferasyonunu aktive eden moleküler sinyaller ürettiği gösterilmiştir.

İlaç keşfinde bir araç olarak Drosophila

Drosophila, klinik ilaç keşif sürecinde kullanım için değerli bir sistem olarak ortaya çıkmaktadır. Drosophila, hücre bölünmesi, farklılaşması ve hareketi gibi doku rejenerasyonu için birçok önemli hücresel aktiviteyi kontrol eden insanlarda korunan biyokimyasal yollar üzerindeki yeni ilaçların etkilerini test etmek için bir model olarak kullanılabilir. Yeni ilaçlar Drosophila’da memeli modellerinden çok daha hızlı test edilebilir; hatta hücre kültürüne bir alternatif olarak ilk yüksek verimli tarama işlemi için bile kullanılabilirler. Bütün bir organizmada tarama, pahalı memeli modellerinde müteakip testler için geliştirilmiş bir güvenlik profiline sahip bileşiklerin seçimini teşvik eder. Ayrıca, Drosophila kullanırken, bu bağlamda ilaç etkinliğini test etmek için hastalıklı bir durumu taklit etmek için genetik arka planı manipüle etmek nispeten kolay olabilir.

Drosophila ve biyomühendislik

Drosophila embriyoları, nispeten küçük olduklarından (~500 μm) ve kolayca çok sayıda üretilebildiklerinden, biyomühendislik teknolojilerinin biyolojik güvenliğini incelemek için değerli bir sistem sağlama potansiyeline sahiptir. Hayvan gelişimi, mekanik veya genetik hasara neden olan olumsuz çevresel koşullara özellikle duyarlıdır. Embriyogenez, hücre-hücre iletişimi, hücre bölünmesi, gen ekspresyonu, hücre ölümü, hücre hareketi ve hücre şekli değişiklikleri dahil olmak üzere çok sayıda hücresel sürecin kesin koordinasyonunu içerir. Bu süreçlerin herhangi birinin bozulması embriyo için ciddi şekil bozuklukları, kısırlık veya ölüm dahil olmak üzere yıkıcı sonuçlar doğurabilir. Analiz için muhtemelen en yaygın sistem olan kültürlenmiş memeli hücreleri, genellikle birkaç, genellikle tek hücre türü içerdiklerinden çok daha az karmaşık bir model sağlar. Bu nedenle, hayvan dokularının 3 boyutlu ortamında bulunan hücre çeşitleri arasındaki fiziksel etkileşimlere ve iletişim süreçlerine olası zararı değerlendirmek zordur. Rejeneratif tıbbın bir amacı, hassas manipülasyon ile yapay dokular üretebilmektir. Hücreler ve büyüme faktörleri. Biyo-elektrospreyler de dahil olmak üzere, bunu yapmak için şu anda çeşitli yöntemler geliştirilmektedir. Bu tekniğin gelişmeyi veya doğurganlığı önemli ölçüde etkileyen genetik veya fiziksel hasarı indüklemediğini göstermek için Drosophila embriyoları kullanıldı, böylece bu prosedürün hassas biyolojik materyali işlemek için güvenli olduğunu doğruladı. Bu bağlamda, Drosophila’nın omurgalı modellere (örneğin fare, Xenopus, zebra balığı) göre sahip olduğu önemli bir avantaj, hayvan ruhsatlandırma yasalarına tabi olmamasıdır. Böylece insanlar, kişisel ve proje lisansları için uzun başvurular yapmak zorunda kalmadan, işlemden sonra embriyoların yetişkin sineklere dönüşmesine ve doğurganlığı test etmesine izin vermekte özgürdür.

Gelecekteki yönlendirmeler

Drosophila’yı kullanan araştırmaların rejeneratif tıpta gelecekteki atılımlara yol açacağına şüphe yoktur. Bu atılımların çoğu, hücre kaderi taahhüdü ve farklılaşmasının temel moleküler mekanizmalarını birbirinden ayıran genetik çalışmalardan kaynaklanacaktır. Bununla birlikte, sinekler, rejeneratif tıpta araştırmacıların karşılaştığı temel soruları ele almak için birçok yeni ve yaratıcı şekilde kullanılma potansiyeline sahiptir.

Kaynaklar:

https://www.researchgate.net/figure/A-bottle-containing-Drosophila-larvae-and-pupae_fig1_251671490

https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S1369702111701134?token=5EA2636876AE745FC96DC983B17510F7A07FD96245A7D792C27ECC8F422FAA12D4B2AA6CC603DEA83B401DEFCB7AE849&originRegion=eu-west-1&originCreation=20210807221056

https://andor.oxinst.com/learning/view/article/advantages-of-using-drosophila-melanogaster-as-a-model-organism

Bakınız:

https://dergipark.org.tr/en/download/article-file/121648

https://dergipark.org.tr/en/download/article-file/1088803

İzlemek İçin Öneriler:

Çevrimiçi Gelişim Biyolojisi: Drosophila’ya Giriş
Droshophila Lab.

Bir Cevap Yazın

%d blogcu bunu beğendi: