La drosophile

Dimorphisme sexuel chez la drosophile. La femelle fait 2,5 mm de longueur. Le mâle est un peu plus court et la partie postérieure de son corps est plus foncée. Source : https://fr.m.wikipedia.org/wiki/Fichier:Biology_Illustration_Animals_Insects_Drosophila_melanogaster.svg

VIDEO INTRODUCTIVE :

La mouche du vinaigre Drosophila melanogaster est un des modèles les plus anciens utilisés en génétique du développement (et en génétique dans son ensemble). Il y a plus de 100 ans, elle a fourni, par exemple, la preuve définitive que les gènes (alors unités héréditaires « abstraites ») sont portés sur les chromosomes, des objets physiques concrets dont le comportement avait été suivi au cours des divisions cellulaires grâce aux progrès du microscope optique et des techniques de coloration (chromosome = corps colorés), mais dont la fonction était alors inconnue. Ces chromosomes sont particulièrement visibles dans le cas des chromosomes polytènes, présents dans les glandes salivaires des larves. Ils résultent de succession de réplications de l’ADN sans divisions cellulaires (endoréplication). Les bandes observables sur ces chromosomes « géants » ont pu être corrélées avec la présence de tels ou tels caractères héritables.

*Chromosomes polytènes dans les glandes salivaires de drosophile. Les bandes correspondent à des niveaux de condensation différents de l’ADN. Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/File%3ADrosophila_polytene_chromosomes_2.jpg

L’observation très précoce de mutants chez la drosophile a aussi favorisé son choix comme modèle génétique. De plus, l’immense majorité des espèces animales sont des insectes comme la drosophile. Il était donc aussi logique de l’utiliser comme un modèle important en biologie animale. Cependant, son développement n’est pas représentatif du développement de tous les insectes.

C’est un entomologiste de Harvard, Charles Woodworth qui a été le premier à élever D. melanogaster, juste après le début du XX^ème siècle. La drosophile est assez petite (donc facile à élever dans un environnement restreint) : la femelle fait 2,5 mm de long (le mâle est légèrement plus court). Elle n’a besoin que de 9 jours pour passer d’un œuf fécondé à un adulte à 25°C. Une femelle peut produire jusqu’à 100 œufs par jour et jusqu’à 2000 œufs durant toute sa vie. Le développement embryonnaire est très rapide et dure entre 12 et 15 heures à 25°C puis s’ensuit le développement post-embryonnaire avec 3 stades larvaires puis un stade nymphal. La drosophile est en effet un organisme holométabole comme tous les Diptères. La métamorphose dure 4 jours. Le cycle de vie total dure de 10 à 11 jours, ce qui permet d’avoir rapidement des croisements génétiques sur plusieurs générations.

*Cycle de vie de la drosophile. Instar = stade larvaire. La métamorphose a lieu au stade pupal (=pupa) ou stade nymphal. Source : https://www.walter-lab.com/methods

*Disques imaginaux chez la larve de drosophile (à gauche) et indications des structures développées à partir d’eux chez la drosophile adulte (à droite). Les disques imaginaux sont des structures qui se mettent en place au cours du développement embryonnaire et qui restent internalisées durant la vie larvaire. Redessiné d’après Fristrom et al., 1969.

Voir cette page sur l’élevage des drosophiles avec notamment une vidéo.

Le début du développement de la drosophile est atypique avec une succession de mitoses sans cytodiérèse ce qui permet de créer des gradients de concentration de facteurs de transcription qui peuvent diffuser d’un noyau à un autre et avoir un comportement de morphogène. D’habitude, ce sont plutôt des protéines sécrétées qui ont cette propriété et non des facteurs de transcription. Bien que ce soit là une propriété peu commune chez les animaux, cela a amené de grandes avancées conceptuelles. Ensuite, l’embryon se cellularise et subit la gastrulation.

*Carte des territoires présomptifs de la drosophile juste avant la gastrulation. D’après https://doi.org/10.1016/bs.ctdb.2019.11.004

C’est l’américain Thomas Hunt Morgan, qui a commencé à utiliser D. melanogaster comme organisme modèle pour les études de génétique et l’a popularisé au début des années 1900.

*Thomas Hunt Morgan (1866-1945).
Source : https://en.wikipedia.org/wiki/Thomas_Hunt_Morgan

Morgan, jusque-là, avait fait des expériences sur divers organismes marins (pycnogonides, cténophores) dans le but de comprendre un certain nombre de processus de développement. Il comprit qu’un modèle comme la drosophile avec ses nombreux avantages pouvait apporter un meilleur éclairage sur le développement tout en élucidant quelques problèmes génétiques fondamentaux. Morgan et ses collègues ont commencé à utiliser des mutants pour fournir les preuves expérimentales de la théorie chromosomique de l’hérédité, et ils ont conçu des méthodes de cartographie génétique qui sont encore utilisées aujourd’hui.

L’un des mutants les plus célèbres découvert par Morgan est le mutant white (ou w) qui produit des drosophiles avec les yeux blancs au lieu de la couleur rouge habituelle.

*Une drosophile porteuse de la mutation white. Source : https://en.wikipedia.org/wiki/White_%28mutation%29#/media/File:White-eyed_Drosophila.jpg

Par des croisements, Morgan s’est rendu compte qu’il s’agit d’une mutation récessive et que la transmission de ce gène est lié au sexe, ce qui l’a amené à postuler qu’il se trouve sur le chromosome X (l’analyse de ses croisements excluait qu’il puisse se trouver sur le chromosome Y). Bien plus tard, cela a été confirmé par séquençage du génome. La protéine codée par le gène a pu être caractérisée : elle transporte les précurseurs des pigments rouges et bruns de la couleur des yeux, la guanine et le tryptophane, dans les yeux en développement durant le stade nymphal (métamorphose).

Pour faire un exercice (corrigé) de génétique de la drosophile, suivre ce lien.

Le génome de la drosophile, désormais entièrement séquencé en l’an 2000, est beaucoup plus plus petit que celui des vertébrés—environ 140 millions de paires de bases, contre 3.200 millions pour un Humain (plus de 20 fois plus !). Il est réparti sur 4 chromosomes (ou paires de chromosomes si on considère la diploïdie ; il y a 3 paires de chromosomes autosomes et une paire de chromosomes sexuels). Ce génome code environ 15 600 protéines. Sa densité génique est nettement plus importante que chez l’Homme : on compte en moyenne 80 gènes par mégabase (1 million de bases) chez la drosophile contre 6 chez l’Homme. Les mutants peuvent désormais être obtenus pour pratiquement n’importe quel gène. On dénombre plus de 160.000 génotypes différents publiés chez la drosophile (il peut y avoir plusieurs mutations par gène) ! Les études génétiques sont aussi facilitées par le fait qu’il n’y a pas de crossing-over chez le mâle.

La transgénèse chez la drosophile consiste à insérer une séquence
d’ADN connue dans l’ADN chromosomique en utilisant comme vecteur un élément transposable (transposon). Ce transposon est connu sous le nom d’élément P. Les éléments P peuvent s’insérer dans n’importe quel site du génome et peuvent aussi se transposer d’un site à un autre dans les cellules germinales, une action qui réclame la présence d’une enzyme appelée transposase. Comme ce mécanisme est susceptible de générer de l’instabilité génomique, on a retiré aux éléments P servant de vecteur de transgénèse le gène codant la transposase. La transposase nécessaire à l’insertion initiale de l’élément P est fournie par un élément P dit « helper », qui ne peut pas s’insérer dans le génome, et est donc rapidement éliminé. Les éléments P « vecteur » et « helper » sont injectés ensemble dans la partie postérieure de l’œuf où se forment les cellules germinales. En plus du gène à insérer, l’élément P modifié porte un gène marqueur tel que l’allèle sauvage du gène white. Dans ce cas, l’élément P est inséré chez des mouches homozygotes pour l’allèle mutant white- (qui ont des yeux blancs à la place des yeux rouges habituels de la drosophile sauvage). Les yeux rouges constituant un caractère dominant sur les yeux blancs, les mouches chez lesquelles l’élément P a été inséré et est exprimé, auront des yeux rouges et seront ainsi facilement repérées.

Un système basé sur la spécificité de l’activité des promoteurs et utilisant la transgénèse permet de ne faire exprimer un gène d’intérêt ou un gène rapporteur que dans les cellules où un promoteur est actif. Il s’agit du système UAS-GAL4. GAL4 est un facteur de transcription activateur qui reconnait une séquence spécifique appelée UAS (pour Upstream Activation Sequence).

*Méthode UAS-GAL4 de contrôle de l’expression d’un transgène chez la drosophile. Modifié de https://en.wikipedia.org/wiki/GAL4/UAS_system#/media/File:Gal4UAS-System.png

L’utilisation de la drosophile comme organisme modèle a été couronné par 4 prix Nobel de Médecine : Thomas Hunt Morgan, qui a reçu le prix Nobel de physiologie ou de médecine en 1933 pour « ses découvertes concernant le rôle joué par le chromosome dans l’hérédité ». L’élève de Morgan, Herman J Muller, a ensuite reçu le prix en 1946 « pour la découverte de la production de mutations par irradiation aux rayons X ». En 1995, les chercheurs sur la drosophile, Edward B Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard et Eric F Wieschaus ont partagé le prix « pour leurs découvertes concernant le contrôle génétique du développement embryonnaire précoce ». Plus récemment, Jules Hoffman a partagé le prix 2011 des «découvertes concernant l’activation de l’immunité innée» chez la drosophile.

EN DIRECT DES LABOS :

POUR ALLER PLUS LOIN :

Pour en savoir plus sur
la mise en place de l’axe antéro-postérieur chez la drosophile.

Site Internet de référence sur la drosophile

Atlas du développement de la drosophile

QUELQUES EQUIPES FRANCOPHONES QUI TRAVAILLENT SUR CE MODELE :

Equipe « Croissance, métabolisme et physiologie de la drosophile » – I2BC, Université Paris-Saclay

Equipe « Neurogénétique de la drosophile » – Institut NeuroPSI, Université Paris-Saclay

Equipe « Polarité, division et morphogenèse » – Institut Curie, Paris

Equipe « Croissance épithéliale et cancer » – IRCM, Montpellier

Equipe « Morphogenèse et mécanique des tissus épithéliaux » – Institut de Biologie Valrose, Nice