Преимущества Drosophila melanogaster для моделирования нейродегенеративных заболеваний человека

Одним из наиболее интересных подходов к исследованию генетических форм болезней человека является их моделирование на плодовой мушке Drosophila melanogaster. Для этих целей используют два основных экспериментальных подхода: экспрессия в Drosophila генов человека, играющих роль в развитии заболеваний, и изучение собственных генов Drosophila, ортологов генов человека, причастных к развитию заболеваний. Расшифровка геномов человека и дрозофилы показала, что более 50% генов Drosophila melanogaster имеют гомологов у человека, и в то же время не менее 60-70% генов наследственных болезней человека имеют своих двойников у Drosophila. Поэтому при работе с различными моделями заболеваний на Drosophila прямое исследование мутантного белка может в значительной степени характеризовать его участие в патогенезе заболевания у человека. Более того, использование трансгенной технологии позволяет создавать линии, несущие гены человека, и использовать их для модуляции конкретных физиологических механизмов. С другой стороны, генетические эксперименты с выключением генов могут быть основой для определения неизвестных клеточных функции белков, вовлеченных в развитие патологического процесса. Хорошо разработанный на дрозофиле метод получения трансгенных особей позволяет получать трансгенных мух не только по определенному гену но и запускать экспрессию этого гена в тканях на различных стадиях онтогенеза дрозофилы, благодаря бинарной системе UAS-GAL4. Система, заимствованная из дрожжей, состоит из двух независимых линий, одна из которых несет исследуемый ген под контролем последовательности UAS (Upstream Activating Sequence), а вторая линия содержит активатор транскрипции — транскрипционный фактор GAL4. Для индукции экспрессии трансгена UAS линия скрещивается с линией, экспрессирующей GAL4 под контролем эндогенного или специально сконструированного промотора, что приводит к экспрессии исследуемого гена в тканях, где экспрессируется GAL4. На сегодняшний день для исследователей доступно более 7000 линий Drosophila с экспрессией GAL4 по данным GAL4 Enhancer Trap Data Base и более 500 линий в Bloomington Drosophila Stock Center at Indiana University.

Температурно-зависимый характер экспрессии трансгенов в системе UAS-GAL4 был использован для создания системы экспрессии, контролирумой во времени (temporal and regional gene expression targeting, TARGET). TARGET-система основана на способности дрожжевого белка GAL80 подавлять экспрессию GAL4. Совместная экспрессия UAS-GAL4 линий и температурно-зависимого аллеля Gal80TS, под контролем промотора tubulin 1α приводит к наибольшему подавлению экспрессии GAL4 при 19°С и дерепрессии синтеза этого белка при 30°С.

Другой подход для направленной временной экспрессии генов на основе системы UAS-GAL4 основан на создании гормон-индуцибельных химерных вариантов GAL4:Gal4-estrogen receptor и GAL4-progesterone receptor (GeneSwitch). Экспрессия трансгенов контролируется добавлением лигандов в корм мухам или личинкам в определенное время, что позволяет исключить пагубное действие ранней экспрессии. Однако это накладывает ограничение на использование этих подходов на эмбриональной и куколочной стадиях развития.

На Drosophila melanogaster был разработан и получил широкое распространение метод инсерционного мутагенеза, основанный на применении мобильных генетических элементов (МЭ). МЭ представляют собой сегменты ДНК, способные к автономным перемещениям (транспозициям) внутри генома. Доля мобильных элементов в геноме человека и млекопитающих может достигать 40% всей ядерной ДНК. Количество копий мобильных элементов различных семейств изменяется от одной до нескольких сотен. Инсерция МЭ может существенно изменять характер экспрессии гена, что и послужило поводом для широкого применения МЭ в создании регулируемых тканеспецифических экспрессионных векторов. Наибольшее распространение в исследованиях на дрозофиле получили векторы, созданные на основе мобильного P-элемента, однако свойство P-элемента встраиваться только в определенные районы генома ограничивает проведение мутагенеза в целом геноме. Поэтому в настоящее время разрабатываются подходы с использованием других мобильных элементов, предпочитающих отличные от P-элемента сайты инсерции, в частности hobo и Minos.

Следует отметить, что использование Drosophila позволяет избежать таких ограничений, возникающих в работе с человеческим материалом, как неполные родословные, генетическая гетерогенность популяции, длительность сбора образцов. В то же время, фундаментальные аспекты клеточной биологии, такие как регуляция экспрессии генов, мембранный транспорт, передача клеточных сигналов, синаптогенез, клеточная гибель, нейротрансмиттерные системы, довольно похожи у человека и Drosophila.