JoVE Journal > Biology
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
생물학

Experimentellt protokoll för att använda Drosophila som en ryggradslösa modellsystem för toxicitetstester i laboratoriet

Published: July 10, 2018
doi:
10.3791/57450
,
1Communities for Building Active STEM Engagement,Colorado State University-Pueblo, 2Department of Biology,Colorado State University-Pueblo

Summary

I detta papper ger vi ett detaljerat protokoll för utsätta arter i släktet Drosophila för föroreningar med målet att studera effekterna av exponering på en rad fenotypiska utgångar i olika utvecklingsstadier och för mer än en generation.

Abstract

Emergenta egenskaper och yttre faktorer (befolkningen nivå och ekosystem-nivå interaktioner, i synnerhet) spela viktiga roller i medla ekologiskt viktiga effektmått, även om de anses sällan i toxikologiska studier. D. melanogaster framstår som en toxikologi modell för de beteendemässiga, neurologiska och genetiska effekterna av gifter, för att nämna några. Viktigare, kan art i släktet Drosophila utnyttjas som modellsystem för en integrativ ramverket strategin att införliva emergenta egenskaper och svara ekologiskt relevanta frågor i toxikologi forskning. Syftet med denna uppsats är att tillhandahålla ett protokoll för utsätta arter i släktet Drosophila för föroreningar som ska användas som modellsystem för en rad fenotypiska utgångar och ekologiskt relevanta frågor. Mer specifikt kan detta protokoll användas för att 1) länka flera biologiska nivåer av organisationen och förstå effekterna av gifter på både individ – och populationsnivå fitness; (2) testa effekterna av gifter i olika skeden av utvecklingstoxicitet exponering; (3) testa multigenerational och evolutionära konsekvenserna av föroreningar. och 4) testa flera föroreningar och stressfaktorer samtidigt.

Introduction

Varje år införs cirka 1 000 nya kemikalier av den kemiska industri1,2; dock testas miljökonsekvenserna av endast en liten andel av dessa kemikalier innan distribution2,3. Även om storskaliga katastrofer är ovanliga, subletala och kronisk exponering för en stor mängd föroreningar är utbredd i både människor och djurliv4,5. Den historiska inriktningen ekotoxikologi och miljötoxikologi var att testa dödlighet, enstaka kemisk exponering, akut exponering och fysiologiska effekter av exponering, som ett sätt att mäta effekterna av föroreningar på överlevnad6, 7 , 8 , 9 , 10. även om det finns en förskjutning mot etiska och icke-invasiva metoder för djurförsök, nuvarande metoder är begränsande på grund av rollen som utveckling, emergenta egenskaper och yttre faktorer (såsom befolkningen nivå och ekosystem-nivå interaktioner) spela i medla ekologiskt viktiga effektmått8. Därför finns det ett behov av metoder som införlivar ett mer holistiskt synsätt utan att offra djur och ryggradsdjur i laboratoriet.

Ryggradslösa modellsystem, såsom Drosophila melanogaster, är ett attraktivt alternativ till adress nöden för en mer holistisk syn toxicitetstester. D. melanogaster, utvecklades ursprungligen som en ryggradslösa modellsystem för mänskliga-relaterade genetisk forskning om ett sekel sedan11. D. melanogaster används nu tydligt som ett ryggradsdjur modell alternativ av flera skäl: 1) bevarande av gener och vägar mellan D. melanogaster och människor; (2) kort generationstid jämfört med ryggradsdjur modeller; (3) billiga kostnaden för underhåll. (4) underlätta generera stort urvalsstorlekar; och 5) uppsjö av fenotypiska – och ekologiskt-relevanta endpoints tillgänglig för testning11,12,13,14,15,16,17 .

Flera laboratorier11,15,16,17,18,19,20,21,22, 23 , 24 , 25 nu använder D. melanogaster som ett ryggradsdjur modell alternativ för toxicitetstester för att förstå konsekvenserna av föroreningar på människor. Lokala vilda arter av Drosophila kan utnyttjas, samt, som toxicitet modeller för vilda djur (och människor) att besvara ekologiskt-, behaviorally-, och evolutionärt relevanta frågor på flera olika biologiska nivåer av organisationen. Med i Drosophila släktet som modell, är flera mätbara slutpunkter möjligt11,15,16,18,19,20 ,21,22,23,24,25. Utbildningsanstalter, använda Drosophila modellen, toxikologer kan: 1) etiskt länka effekter på flera olika biologiska nivåer av organisationen. (2) införliva roll framväxande faktorer och utveckling. (3) studera ekologiskt viktiga effektmått (förutom medicinskt viktiga effektmått); (4) testa flera stressfaktorer samtidigt; (5) och test långsiktiga multigenerational (e.g. evolutionära och transgenerationell) konsekvenserna av stressfaktorer. Därför kan använder Drosophila som modellsystem en mångfald av metoder, inte begränsat till studera mekanistiska inflygningar med inavlade stammar av D. melanogaster i laboratoriet.

I detta papper presentera vi metoder för uppfödning och samla Drosophila för att besvara olika toxikologiska frågor. Mer specifikt beskriver vi metoden för 1) uppfödning Drosophila i medium spetsad med en eller flera föroreningar; (2) samla Drosophila hela utveckling (t.ex. vandrande tredje-instar larver, Pupp fall, nyligen-eclosed vuxna och mogna vuxna); och 3) uppfödning Drosophila i det förorenada mediet för att test mellan generationerna och transgenerationell överföring, samt evolutionära konsekvenserna av toxiska långtidsexponering. Med hjälp av detta protokoll, tidigare författare18,19,20,21,22,23,24har,25 rapporterat olika fysiologiska, genetiska och beteendemässiga effekter av utvecklingstoxicitet leda (Pb2 +) exponering. Detta protokoll kan toxikologer att använda en mer holistisk toxikologiska strategi, som är nödvändig för att förstå hur föroreningar är riskfaktorer för både människor och djur i en alltmer förorenad miljö.

Protocol

Följande protokoll är ett experimentellt protokoll används bakåt i Drosophila släktet på förorenade medium när oralt intag av ett toxin är lämpligt; andra former av exponering är möjligt använda Drosophila modell11,15,16,26. De metoder som beskrivs i detta protokoll har tidigare beskrivits av Hirsch et al. 19 och Peterson et al…

Representative Results

Genom att muntligen utsätta Drosophila för en kontaminanter i hela utveckling, kan olika toxikologiska frågor testas genom att exponera Drosophila på olika nivåer av biologisk organisation. Detta avsnitt presenterar representativa resultat som erhållits med detta protokoll i tidigare publicerade uppsatser23,24. I synnerhet användes detta protokoll tidigare för att utvärdera ackumulering, eliminering och …

Discussion

Drosophila melanogaster har etablerats som en kraftfull modell för en rad biologiska processer på grund av omfattande bevarande av gener och vägar mellan D. melanogaster och människor13,14. Av samma skäl att det är en kraftfull modell för medicinsk vetenskap, har Drosophila framträtt som en lämplig modellsystem studera konsekvenserna av antropogena föroreningar på ett utbud av toxikologiska ändpunkter. Flera laboratorier anv…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Denna publikation stöddes av ett anslag från utbildningsdepartementet (PR Award #P031C160025-17, projektnamn: 84.031 C) till Colorado State University-Pueblo (CSU-Pueblo) samhällen att bygga aktiva stammen engagemang (C-bas). Vi tackar nuvarande zoologi och Elsevier för att ge rättigheter att använda de representativa resultat publicerade i tidigare artiklar, samt redaktörerna för JoVE för att ge oss möjlighet att publicera detta protokoll. Vi vill också tacka de C-bas Program, Dr Brian Vanden Heuvel (C-BASE och Institutionen för biologi, CSU-Pueblo), CSU-Pueblo biologi institutionen, Thomas Graziano, Dr. Bernard Possidente (Institutionen för biologi, Skidmore College) och Dr Claire Varian Ramos (Institutionen för biologi, Colorado State University-Pueblo) för deras stöd och hjälp.

Materials

Carolina Biological Instant Drosophila Medium Formula 4-24 Carolina Biological 173204
Drosophila vials, Narrow (PS), Polystyrene, Superbulk, 1000 vials/unit Genessee Scientific 32-116SB Used to store flies
Flugs Closures for vials and bottles, Narrow plastic vials Genessee Scientific 49-102 Used to store flies
Cardboard trays, trays only, narrow Genessee Scientific 32-124 Used to organize populations of flies
Cardboard trays, dividers only, narrow Genessee Scientific 32-126 Used to organize populations of flies
Thermo Scientific Nalgene Square Wide-Mouth HDPE Bottles with Closure Fischer Scientific 03-312D Useful for storage of contaminants
Thermo Scientific Nalgene Color-Coded LDPE Wash Bottles Fischer Scientific 03-409-17C Useful for storage of contaminants
Eppendorf Repeater M4 Manual Handheld Pipette Dispenser Fischer Scientific 14-287-150 Used to prepare medium
Combitips Advanced Pipetter Tips – Standard, Eppendorf Quality Tips Fischer Scientific 13-683-708 Used to prepare medium
Flypad, Standard Size (8.1 X 11.6cm) Genessee Scientific 59-114 Used to anesthetize flies
Flystuff foot valve Genessee Scientific 59-121 Used to anesthetize flies
Tubing, green (1 continguous foot/unit) Genessee Scientific 59-124G Used to anesthetize flies
Mineral Oil, Light, White, High Purity Grade, 500 mL HDPE Bottle VWR 97064-130 Used to make a morgue
Glass Erlenmeyer Flask Set – 3 Sizes – 50, 150 and 250ml, Karter Scientific 214U2 Walmart Not applicable Used to make a morgue
BGSET5 Glass Beaker Set Of 5 Walmart
Inbred or wildtype line of Drosophila Bloomington Drosophila Stock Center at Indiana University https://bdsc.indiana.edu
Wild popultions of Drosophila UC San Diego Drosophila Stock Center https://stockcenter.ucsd.edu/info/welcome.php
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Postel, S. . Defusing the Toxics Threat: Controlling Pesticides and Industrial Waste. , (1987).
  2. Vitousek, P. M., Mooney, H. A., Lubchenco, J., Melillo, J. M. Human domination of earth’s ecosystems. Science. 277, 494-499 (1997).
  3. United Nations Environment Program (UNEP). . Saving Our Planet: Challenges and Hopes. , (1992).
  4. Hansen, L. J., Johnson, M. L. Conservation and toxicology: Integrating the disciplines. Conservation Biology. 13, 1225-1227 (1999).
  5. Johnston, E. L., Mayer-Pinto, M., Crowe, T. P. REVIEW: Chemical contaminant effects on marine ecosystem functioning. Journal of Applied Ecology. 52, 140-149 (2015).
  6. Dell’Omo, G. . Behavioral ecotoxicology. , (2002).
  7. Clotfelter, E. D., Bell, A. M., Levering, K. R. The role of animal behaviour in the study of endocrine-disrupting chemicals. Animal Behaviour. 68, 665-676 (2004).
  8. Peterson, E. K., Buchwalter, D. B., Kerby, J. L., LeFauve, M. K., Varian-Ramos, C. W., Swaddle, J. P. Integrative behavioral ecotoxicology: bringing together fields to establish new insight to behavioral ecology, toxicology, and conservation. Current Zoology. 63, 185-194 (2017).
  9. Scott, G. R., Sloman, K. A. The effects of environmental pollutants on complex fish behaviour: Integrating behavioural and physiological indicators of toxicity. Aquatic Toxicology. 68, 369-392 (2004).
  10. Zala, S. M., Penn, D. J. Abnormal behaviors induced by chemical pollution: A review of the evidence and new challenges. Animal Behaviour. 68, 649-664 (2004).
  11. Abolaji, A. O., Kamdem, J. P., Farombi, E. O., Rocha, J. B. T. Drosophila melanogaster as a promising model organism in toxicological studies. Archives of Basic & Applied Medicine. 1, 33-38 (2013).
  12. Jennings, B. H. Drosophila-a versatile model in biology and medicine. Materials Today. 14, 190-195 (2011).
  13. Pandey, U. B., Nichols, C. D. Human disease models in Drosophila melanogaster and the role of the fly in therapeutic drug discovery. Pharmacology Reviews. 63, 411-436 (2011).
  14. Rubin, G. M., et al. Comparative genomics of the eukaryotes. Science. 287, 2204-2215 (2000).
  15. Rand, M. D. Drosophotoxicology: The growing potential for Drosophila in neurotoxicology. Neurotoxicol Teratol. 32, 74 (2010).
  16. Rand, M. D., Montgomery, S. L., Prince, L., Vorojeikina, D. Developmental toxicity assays using the Drosophila model. Current Protocols in Toxicology. 59, 1.12.1-1.12.20 (2015).
  17. Burke, M. K., Rose, M. R. Experimental evolution with Drosophila. American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 296, R1847-R1854 (2009).
  18. He, T., Hirsch, H. V. B., Ruden, D. M., Lnenicka, G. A. Chronic lead exposure alters presynaptic calcium regulation and synaptic facilitation in Drosophila larvae. NeuroToxicology. 30, 777-784 (2009).
  19. Hirsch, H. V., et al. Behavioral effects of chronic exposure to low levels of lead in Drosophila melanogaster. NeuroToxicology. 24, 435-442 (2003).
  20. Hirsch, H. V. B., et al. Variations at a quantitative trait locus (QTL) affect development of behavior in lead-exposed Drosophila melanogaster. NeuroToxicology. 30, 305-311 (2009).
  21. Morley, E. J., Hirsch, H. V. B., Hollocher, K., Lnenicka, G. A. Effects of chronic lead exposure on the neuromuscular junction in Drosophila larvae. NeuroToxicology. 24, 35-41 (2003).
  22. Ruden, D. M., et al. Genetical toxicologenomics in Drosophila identifies master- modulatory loci that are regulated by developmental exposure to lead. NeuroToxicology. 30, 898-914 (2009).
  23. Peterson, E. K., et al. Accumulation, elimination, sequestration, and genetic variation of lead (Pb2+) loads within and between generations of Drosophila melanogaster. Chemosphere. 181, 368-375 (2017).
  24. Peterson, E. K., et al. Asymmetrical positive assortative mating induced by developmental lead (Pb2+) exposure in a model system, Drosophila melanogaster. Current Zoology. 63, 195-203 (2017).
  25. Peterson, E. K. . Consequences of developmental lead (Pb2+) exposure on reproductive strategies in Drosophila. , (2016).
  26. Chifiriuc, M. C., Ratiu, A. C., Popa, M., Ecovolu, A. A. Drosophotoxicology: An emerging research area for assessing nanoparticles interaction with living organisms. International Journal of Molecular Sciences. 17, 36 (2016).
  27. Lachaise, D., Cariou, M. L., David, J. R., Lemeunier, F., Tsacas, L., Ashburner, M. Historical biogeography of the Drosophila melanogaster species subgroup. Evolutionary Biology. 22, 159-225 (1988).
  28. Elgin, C. R., Miller, D. W., Ashburner, M., Wright, T. R. F. Mass rearing of flies and mass production and harvesting of embryos. The Genetics and Biology of Drosophila. 2a, 112-121 (1978).
  29. Shaffer, C. D., Wuller, J. M., Elgin, C. R. Chapter 5: Raising large quantities of Drosophila for biochemical experiments. Methods in Cell Biology. 44, 99-108 (1994).
  30. Stocker, H., Gallant, P. Getting started: an overview on raising and handling Drosophila. Methods in Molecular Biology. 420, 27-44 (2008).
  31. Jennings, J. H., Etges, W. J., Schmitt, T., Hoikkala, A. Cuticular hydrocarbons of Drosophila montana: geographic variation, sexual dimorphism and potential roles as pheromones. Journal of Insect Physiology. 61, 16-24 (2014).
  32. Markow, T. A., O’Grady, P. M. . Drosophila: A Guide to Species Identification and Use. , (2005).
  33. Werner, T., Jaenike, J. . Drosopholids of the midwest and northeast. , (2017).
  34. Greenspan, R. J. The basics of doing a cross. Fly Pushing: The theory and practice of Drosophila genetics. , 3-24 (1997).
  35. JoVE Science Education Database. . . Biology I: yeast, Drosophila and C. elegans. Drosophila Maintenance. , (2018).
  36. Castañeda, P. L., Muñoz, G. L. E., Durán, D. A., Heres, P. M. E., Dueñas, G. I. E. LD50 in Drosophila melanogaster. fed on lead nitrate and lead acetate. Drosophila Information Service. 84, 44-48 (2001).
  37. Massie, H. R., Aiello, V. R., Whitney, S. J. P. Lead accumulation during aging of Drosophila and effect of dietary lead on life span. Age. 15, 47-49 (1992).
  38. Akins, J. M., Schroeder, J. A., Brower, D. L., Aposhian, H. V. Evaluation of Drosophila melanogaster as an alternative animal for studying the neurotoxicity of heavy metals. BioMetals. 5, 111-120 (1992).
  39. Zhou, S., et al. The genetic basis for variation in sensitivity to lead toxicity in Drosophila melanogaster. Environmental Health Perspectives. 124, 1062-1070 (2016).
  40. Pitnick, S., Markow, T. A., Spicer, G. S. Delayed male maturity is a cost of producing large sperm in Drosophila. Proceedings of National Academy of Sciences USA. 92, 10614-10618 (1995).
  41. Beauchemin, D. Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry. Analytical Chemistry. 82, 4786-4810 (2010).
  42. Tyler, M. S., Tyler, M. S. Development of the fruit fly Drosophila melanogaster. Developmental Biology, a Guide for Experimental Study. , 8-27 (2000).
  43. Ortiz, J. G., Opoka, R., Kane, D., Cartwright, I. L. Investigating arsenic susceptibility from a genetic perspective in Drosophila reveals a key role for glutathione synthetase. Toxicological Sciences. 107, 416-426 (2009).
  44. Bonilla, E., Contreras, R., Medina-Leendertz, S., Mora, M., Villalobos, V., Bravo, Y. Minocycline increases the life span and motor activity and decreases lipid peroxidation in manganese treated Drosophila melanogaster. Toxicology. 294, 50-53 (2012).
  45. Guarnieri, D. J., Heberlein, U. Drosophila melanogaster, a genetic model system for alcohol research. International Review of Neurobiology. 54, 199-228 (2003).
  46. Posgai, R., Cipolla-McCulloch, C. B., Murphy, K. R., Hussain, S. M., Rowe, J. J., Nielsen, M. G. Differential toxicity of silver and titanium dioxide nanoparticles on Drosophila melanogaster development, reproductive effort, and viability: size, coatings and antioxidants matter. Chemosphere. 85, 34-42 (2011).
  47. Gupta, S. C., et al. Adverse effect of organophosphate compounds, dichlorvos and chlorpyrifos in the reproductive tissues of transgenic Drosophila melanogaster: 70kDa heat shock protein as a marker of cellular damage. Toxicology. 238, 1-14 (2007).
  48. Wasserkort, R., Koller, T. Screening toxic effects of volatile organic compounds using Drosophila melanogaster. Journal of Applied Toxicology. 17, 119-125 (1997).
  49. Markow, T. A., O’Grady, P. O. Reproductive ecology of Drosophila. Functional Ecology. 22, 747-759 (2008).
  50. Dev, K., Chahal, J., Parkash, R. Seasonal variations in the mating-related traits of Drosophila melanogaster. Journal of Ethology. 31, 165-174 (2013).
  51. Salminen, T. S., Vesala, L., Laiho, A., Merisalo, M., Hoikkala, A., Kankare, M. Seasonal gene expression kinetics between diapause phases in Drosophila virilus group species and overwintering differences between diapausing and non-diapausing females. Nature Scientific Reports. 5, 11197 (2015).
  52. Miller, R. S., Thomas, J. L. The effects of larval crowding and body size on the longevity of adult Drosophila melanogaster. Ecology. 39, 118-125 (1958).
  53. Peterson, E. K., Ghiradella, H., Possidente, B., Hirsch, H. Transgenerational epigenetic effects of lead exposure on behavior in Drosophila melanogaster. 11, 492-493 (2012).
  54. Soares, J. J., et al. Continuous liquid feeding: New method to study pesticides toxicity in Drosophila melanogaster. Analytical Biochemistry. 537, 60-62 (2017).

Tags

DrosophilaToxicity TestingInvertebrate ModelDose ResponseGrowth MediumDevelopmental StagesLarvaeAdultsExposureContaminants

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Peterson, E. K., Long, H. E. Experimental Protocol for Using Drosophila As an Invertebrate Model System for Toxicity Testing in the Laboratory. J. Vis. Exp. (137), e57450, doi:10.3791/57450 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image