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  • 대사질환 초파리 질병 모델에는 어떤 것들이 있고 어떤 형질전환체를 사용하나요? 초파리 형질전환
    - 초파리는 비만·당뇨 등 대사질환 연구의 강력한 유전 모델로 활용되고 있음.
     
    - brummer, Akh, Dilp, chico 돌연변이체는 비만·인슐린 저항성·당뇨를 모사하며, TRPγ, TRPA1 등 감각채널은 대사 조절과 행동적 항상성의 연결고리로 작용함.
     
    1) 비만(Obesity) 및 지질대사 질환: brummer(지방분해효소), adipokinetic hormone (Akh) → 돌연변이체 비만 유발

     

    2) 당뇨병(Diabetes) 및 인슐린 저항성: Dilp2, Dilp3, Dilp5 돌연변이체 → 혈당 상승, 성장 지연 → 당뇨 모델. chico 돌연변이체 인슐린 수용체 기질 단백질 (IRS homolog) → 인슐린 신호 저하, 수명 연장, 고혈당.

     

    3) 대사-수면-섭식 연계 질환: neuropeptide F, sNPF 돌연변이체 → 섭식 과잉, 대사 불균형. Leucokinin, Ion transport peptide 돌연변이체 → 대사-수분 균형 관련 대사 질환 모델.

     

    4) 미토콘드리아/에너지 대사 질환: pink1, parkin 돌연변이체 → 미토콘드리아 기능 저하, 근육 퇴행, 에너지 대사 장애. ATP6 돌연변이체 → 미토콘드리아성 대사질환 모델.

     

    5) TRP 돌연변이체: TRPA1 돌연변이체 → 감각–섭식–대사 연결 → 비만/당뇨 모델의 행동적 대사 이상 연구에 사용. trpγ 돌연변이체 → 직접적으로 혈당 항상성과 연결 → 당뇨병/대사질환 모델로 활용 가능.

     

     

     

     

     

     

    유사질문
    • 초파리도 비만이 있나요?
    • 초파리 당뇨병 모델이 있나요?
    References
      - Grönke, S., Beller, M., Fellert, S., Ramakrishnan, H., Jäckle, H., & Kühnlein, R. P. (2003). Control of fat storage by a Drosophila PAT domain protein. Current biology, 13(7), 603-606.
       
      - Bharucha, K. N., Tarr, P., & Zipursky, S. (2008). A glucagon-like endocrine pathway in Drosophila modulates both lipid and carbohydrate homeostasis. Journal of Experimental Biology, 211(19), 3103-3110.
       
      - Broughton, S. J., Piper, M. D., Ikeya, T., Bass, T. M., Jacobson, J., Driege, Y., ... & Partridge, L. (2005). Longer lifespan, altered metabolism, and stress resistance in Drosophila from ablation of cells making insulin-like ligands. Proceedings of the
      National Academy of Sciences, 102(8), 3105-3110.
       
      - Clancy, D. J., Gems, D., Harshman, L. G., Oldham, S., Stocker, H., Hafen, E., ... & Partridge, L. (2001). Extension of life-span by loss of CHICO, a Drosophila insulin receptor substrate protein. Science, 292(5514), 104-106.
       
      - Krashes, M. J., DasGupta, S., Vreede, A., White, B., Armstrong, J. D., & Waddell, S. (2009). A neural circuit mechanism integrating motivational state with memory expression in Drosophila. Cell, 139(2), 416-427.
       
      - Sakai, T., Shiraishi, A., Kawada, T., Matsubara, S., Aoyama, M., & Satake, H. (2017). Invertebrate gonadotropin-releasing hormone-related peptides and their receptors: an update. Frontiers in endocrinology, 8, 217.
       
      - Nath, D. K., Dhakal, S., & Lee, Y. (2025). TRPγ regulates lipid metabolism through Dh44 neuroendocrine cells. ELife, 13, RP99258.
    비만 당뇨 인슐린 대사 상동성
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  • 근골격계 초파리 질병 모델에는 어떤 것들이 있고 어떤 형질전환체를 사용하나요? 초파리 형질전환
    - 초파리 근골격계 질병 모델은 인간의 근육 관련 질환을 유전학적으로 재현하기 위해 다양하게 발전됨.
     
    - 대표적으로 Dystrophin 또는 Sarcoglycan 결손에 의한 근이영양증 모델, Smn 결손을 통한 척수성 근위축증(SMA) 모델, TDP-43, FUS, SOD1 등의 과발현으로 유도한 근위축성 측삭경화증(ALS) 모델 등이 있음.
     
    - 이들 형질전환체는 근섬유 퇴화, 운동능 저하, 신경근접합 이상 등을 모사하며, 신경근 질환 연구의 핵심 도구로 활용됨.

     

    1) 근이영양증 (Muscular dystrophy): Dystrophin, Dystroglycan, Sarcoglycan, Laminin 등 유전자 변이 → Duchenne/Becker 근이영양증(DMD/BMD) 모델.

     

    2) 구심성 근위축증 (Centronuclear myopathy): 인간 MTM1, BIN1, DNM2 관련 → 초파리에서는 amphiphysin, shibire 돌연변이체 모델.

     

    3) Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EDMD): 인간 Emerin, Lamin A/C 관련 → 초파리에서는 Lamin C 돌연변이체 모델.

     

    4) 척수성 근위축증 (Spinal muscular atrophy, SMA): 인간 SMN1 결손 → 초파리 Smn 돌연변이체

     

    5) 근위축성 측삭경화증 (ALS): 인간 TDP-43, FUS, SOD1, C9orf72 관련 → 초파리에서는 대응하는 TDP-43, FUS, SOD1G85R을 과발현한 돌연변이체 사용.

     

     

    그림1. DGC(Dystrophin Glycoprotein Complex)

     

     

    그림2. 구심성 근위축증

     

     

    그림3. EDMD와 관련된 단백질

     

     

    그림4. SMN1 유무로 구별된 정상인과 척수성 근위축증 환자

     

     

    그림5. ALS 발병 관련 유전자

     

     

     

    유사질문
    • 초파리로 근육 질환을 연구할 수 있나요?
    • 초파리 애벌레는 왜 사육병의 벽을 기어 올라가나요? 초파리 성체는 왜 위로 올라가나요?
    References
      - Shcherbata, H. R., Yatsenko, A. S., Patterson, L., Sood, V. D., Nudel, U., Yaffe, D., ... & Ruohola‐Baker, H. (2007). Dissecting muscle and neuronal disorders in a Drosophila model of muscular dystrophy. The EMBO journal, 26(2), 481-493.
       
      - Musselman, L. P., & Kühnlein, R. P. (2018). Drosophila as a model to study obesity and metabolic disease. Journal of Experimental Biology, 221(Suppl_1), jeb163881.
       
      - Gáliková, M., & Klepsatel, P. (2018). Obesity and aging in the Drosophila model. International journal of molecular sciences, 19(7), 1896.
       
      - Diop, S. B., & Bodmer, R. (2012). Drosophila as a model to study the genetic mechanisms of obesity‐associated heart dysfunction. Journal of cellular and molecular medicine, 16(5), 966-971.
       
      - Cossu, G. (2004). Fusion of bone marrow–derived stem cells with striated muscle may not be sufficient to activate muscle genes. The Journal of clinical investigation, 114(11), 1540-1543.
    근육 근이영양증 SMA ALS 상동성
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  • 수컷 초파리에서는 왜 재조합(recombination)이 일어나지 않나요? 초파리 형질전환
    - 수컷 초파리에서 재조합이 일어나지 않으며, 이 현상을 ‘Achiasmy(achiasmate meiosis)’라 칭함.
     
    - 재조합은 일반적으로 감수분열 제1분열 전기(prophase I)에서 상동염색체가 짝을 이루고, 시넵토넵탈 복합체(SC; synaptonemal complex)가 형성되면서 일어남.
     
    - 이 과정에서 염색체가 교차(cross-over)하여 새로운 대립유전자 조합이 생기게 되는데, 수컷 초파리에서는 SC가 형성되지 않음.
     
    - 상동염색체가 쌍을 이루긴 하지만, 포유동물이나 암컷 초파리처럼 SC를 통해 긴밀히 붙지 않기 때문에 재조합이 발생하지 않음.
     
    - 따라서 유전적 재조합이 억제된 채로 감수분열이 진행됨.
     
    - 이는 구성단백질 (C(3)G, C(2)M, 등)이 발현되지 않으며, (DSB; DNA double-strand break) 유도 효소인 Spo11에 의한 절단이 거의 일어나지 않기 때문임.
     
    - 즉, 재조합을 시작할 분자적 신호 자체가 차단되어 있음.
     
    - 대신 수컷에서는 염색체 인식 및 pairing이 주로 염색체 말단·반복서열(heterochromatin-rich region)을 통해 이루어지고, 재조합 없이도 정확히 분리됨.
     
     

    그림1. 암컷 초파리에서 보이는 전형적인 감수분열 경로

     

      - 암컷 초파리는 시넵토넵탈 복합체(SC)의 형성, 교차현상(cross-over)가 나타남.

     

      - 수컷 초파리는 SC가 형성되지 않기 때문에, recombination이 일어나지 않음.

    유사질문
    • 초파리 수컷의 감수분열은 암컷과 어떻게 다른가요?
    • 서로 다른 염색체 상의 형질전환 유전자를 합치는 방법에 대해 알려주세요
    • 같은 염색체 상의 형질전환 유전자를 합치는 방법에 대해 알려주세요
    References
      - Morgan, T. H. (1910). Sex limited inheritance in Drosophila. Science, 32(812), 120-122.
       
      - Haldane, J. B. (2022). Sex ratio and unisexual sterility in hybrid animals. In Selected Genetic Papers of JBS Haldane (Routledge Revivals) (pp. 495-503). Routledge.
       
      - Roeder, G. S. (1997). Meiotic chromosomes: it takes two to tango. Genes & development, 11(20), 2600-2621.
       
      - Kabakci, Z., Reichle, H. E., Lemke, B., Rousova, D., Gupta, S., Weber, J., ... & Lehner, C. F. (2022). Homologous chromosomes are stably conjoined for Drosophila male meiosis I by SUM, a multimerized protein assembly with modules for DNA-binding
      and for separase-mediated dissociation co-opted from cohesin. PLoS Genetics, 18(12), e1010547.
    재조합 성별 감수분열 발생 밸런서
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  • 초파리의 수면 행동을 관찰하는 실험에는 어떤 것들이 있고 어떤 형질전환체를 사용하나요? 초파리 형질전환

    1) 수면 행동 관찰 시험

     

    ① DAM (Drosophila Activity Monitor) system

     

    - DAM 시스템은 초파리의 움직임을 측정하는 기반의 장비를 사용함.

     
    -초파리는 눈꺼풀이 없어, 시각적으로 수면에 들었는지 확인이 어렵기 때문에 DAM 시스템을 사용함.
     
    - 초파리는 개별적인 유리관에 보관되며, 한 방향은 먹이(1% 자당 등), 다른 한 방향은 탈출을 방지하기 위해 솜으로 막혀 있음.
     
    - 초파리가 적외선(infrared)를 감지하지 못하는 것을 이용하여, 튜브 중앙에 적외선을 쏘아주고 다른 방향에서는 적외선을 감지함.
     
    - 초파리가 중앙을 통과하게 된다면, 쏘아진 적외선은 초파리에게 막히게 되며, 적외선 감지기는 적외선을 받지 못함.
     
    - 이렇게 초파리가 중앙을 통과하는 것은 소프트웨어 상, 초파리가 1회 움직였다고 카운트함.
     
    - DAM은 컴퓨터와 연결되어 수치화 된 움직임을 시간대별로 저장하고, 5분간 초파리가 카운팅 되지 않는 경우, 수면에 들었다고 가정함.
     
    - 활동성(Activity)과 수면(sleep time)뿐만 아니라 불이 꺼진 후 잠에 들기까지 걸린 시간(latency time), 1회 수면의 길이(bout time), 깨고 자는 횟수(bout number) 등과 같은 여러 파라미터의 측정이 가능함.
     
    - DAM 시스템은 온도 및 습도, 빛 조절이 가능한 인큐베이터 내에서 진행되는 경우가 많으며, 빛의 조절로 밤/낮을 설정이 가능함.
     
    - 수면 시험과 비슷하게 일주기(circadian) 시험도 DAM 시스템을 활용할 수 있음.
     
    - 또한 160-320마리의 초파리의 수면을 동시에 측정이 가능함.
     
     

    ② 비디오 추적법(video tracking)

     
    - 비디오 추적법도 마찬가지로 초파리의 움직임을 측정하여 수면을 측정함.
     
    - DAM 시스템은 어느 정도 정형화가 되어 있지만, 비디오 추적법은 다양한 시험법이 존재함.
     
    - DAM 시스템의 경우 원통형의 유리관에 한 마리의 초파리를 넣어 관찰하지만, 비디오 추적법의 경우 바(bar), 플레이트(plate) 등과 같이 제약이 적음.
     
    - DAM 시스템과 같이 대부분 한 마리의 초파리를 관찰하지만, 비디오 추적법은 적외선이 아닌 카메라로 영상을 녹화하여 녹화된 영상을 분석하며, 초파리가 X, Y축으로의 움직임, 더 자세히는 다리와 날개의 움직임도 포착이 가능함.
     
    - 이러한 장점을 갖는 비디오 추적법은 더 정밀한 수면의 정의를 내려야 하며, 코딩을 활용하여 행동 패턴 분석이 가능합니다.
     
     
     
     

    2) 형질전환체

     

    ① 수면과 관련된 유전자 돌연변이체

     

    - Shaker, Sleepless, Hyperkinetic, Quiver 등의 돌연변이체

     

     

    ② 생체시계 관련 유전자 돌연변이체

     
    - Period, timeless, clock, cycle 등의 돌연변이체

     

     

    ③ 신경퇴행성 질환 모델 초파리: 대표적인 3대 신경퇴행성 질환

     
    - 파킨슨 모델: DJ-1β 돌연변이체
     
    - 알츠하이머 모델: Appl 돌연변이체

     

    - 헌팅턴 모델: 신경세포에 HTT를 발현시킨 모델(UAS-HTT with elav-GAL4)

     

     

    ④ 신경전달물질 및 수용체 관련 돌연변이체

     
    - Amnesiac: amn 돌연변이체
     
    - Dopamine transporter: DAT 돌연변이체
     
    - Dopamine 1-like receptor: 1Dop1R2 돌연변이체
     
    - Serotonin receptor 1B: 5-HT1B 돌연변이체
     
    - Serotonin receptor 2A: 5-HT2A 돌연변이체 
    유사질문
    • 초파리도 잠을 자나요?
    • 초파리의 수면은 어떻게 정의되나요?
    References
      - Sang, J., Dhakal, S., & Lee, Y. (2021). Cucurbitacin B suppresses hyperglycemia associated with a high sugar diet and promotes sleep in Drosophila melanogaster. Molecules and cells, 44(2), 68-78.
       
      - Shaw, P. J., Cirelli, C., Greenspan, R. J., & Tononi, G. (2000). Correlates of sleep and waking in Drosophila melanogaster. Science, 287(5459), 1834-1837.
       
      - Gilestro, G. F. (2012). Video tracking and analysis of sleep in Drosophila melanogaster. Nature protocols, 7(5), 995-1007.
       
      - Tomita, J., Ueno, T., Mitsuyoshi, M., Kume, S., & Kume, K. (2015). The NMDA receptor promotes sleep in the fruit fly, Drosophila melanogaster. PloS one, 10(5), e0128101.
       
      - Keleman, K., Vrontou, E., Krüttner, S., Yu, J. Y., Kurtovic-Kozaric, A., & Dickson, B. J. (2012). Dopamine neurons modulate pheromone responses in Drosophila courtship learning. Nature, 489(7414), 145-149.
    수면 행동 DAM 시스템 비디오 추적 상동성
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  • 초파리의 기억력 행동을 관찰하는 실험에는 어떤 것들이 있고 어떤 형질전환체를 사용하나요? 초파리 형질전환

    1) 기억력 행동 관찰 시험법 (파블로프의 개)

     

    -초파리의 기억력 행동은 보통 ‘고전적 조건형성(classical conditioning)’을 기반으로 시작됩니다. 파블로프의 개(Pavlovian)가 좋은 예시임.
     
    -인간의 경우, 언어나 숫자, 시각적인 기억 등을 기억하여 직접 질문을 하여 언어로 대답이 가능함.
     
    -하지만, 동물모델의 경우에는 그렇지 않기 때문에, 무조건 반사를 이용하여 조건을 형성을 필요로 함.
     
    -파블로프의 개 이론은 무조건 반사(먹이에 대한 반응)과 중성자극(종 울림)을 엮어 조건을 형성하게 되는데, 조건 형성은 학습 능력에 의해 결정됨.
     
    -학습능력이 빠르다면, 조건 형성이 빨라지게 되며, 조건이 형성되었다면, 기존 중성자극이 조건자극으로 바뀌어 무조건 반사와 같은 행동을 취하게 됨.
     
     

    2) 기억력 행동 관찰 시험법 (초파리)

     

    - 초파리의 대표적인 단기기억(short-term memory) 시험법인 ‘맛-연상 기억력 시험(taste-associative memory assay)’에서는 무조건 자극은 자당(sucrose)이며, 이에 대한 반응은 자당을 먹기 위해 입을 뻗는 행위(PER; Proboscis Extension Response)임.
     
    - 이 시험법은 중성자극이 아니라 초파리가 쓰다고 느끼는 카페인을 혐오자극으로 사용함.
     
    - 무조건 반사(다리에 자당을 제공) 후에 혐오자극(카페인 입에 제공)하고, 이를 수차례 반복한다면, 초파리는 입을 뻗을 시, 카페인이 입에 닿아 처벌을 받을 것으로 기억됨.
     
    - 이렇게 조건이 형성된다면, 다리에 자당을 주어도, 입을 뻗지 않음.
     

    - 조건 형성 후, 조건 자극만을 시간대별로 제공하여 반사행동이 되는 시간을 측정하여 단기기억능력 측정이 가능함.

     

    3) 형질전환체

     

    ① 신경퇴행성 질환 모델 초파리: 대표적인 3대 신경퇴행성 질환

     

    - 파킨슨 모델: DJ-1β 돌연변이체
     
    - 알츠하이머 모델: Appl 돌연변이체
     
    - 헌팅턴 모델: 신경세포에 HTT를 발현시킨 모델(UAS-HTT with elav-GAL4)
     

    ② Rutabaga & Dunce 돌연변이체: cAMP 합성 혹은 분해 저해

     

    - rut 혹은 dnc 돌연변이체

     

    ③ 신경전달물질 및 수용체 관련 돌연변이체

     
    - Amnesiac: amn 돌연변이체
     
    - Dopamine transporter: DAT 돌연변이체
     
    - Dopamine 1-like receptor: 1Dop1R2 돌연변이체
     
    - Serotonin receptor 1B: 5-HT1B 돌연변이체
     

    - Serotonin receptor 2A: 5-HT2A 돌연변이체

     

    유사질문
    • 초파리의 학습능력을 어떻게 측정하나요?
    • 초파리의 기억 관련 유전자가 있나요?
    References
      - Préat, T. (1998). Decreased Odor Avoidance after Electric Shock in Drosophila Mutants Biases Learning and Memory Tests. Journal of Neuroscience, 18(20), 8534-8538.
       
      - Poudel, S., & Lee, Y. (2018). Impaired taste associative memory and memory enhancement by feeding Omija in Parkinson’s disease fly model. Molecules and cells, 41(7), 646-652.
       
      - Sang, J., Poudel, S., & Lee, Y. (2024). In vivo effects of Salicornia herbacea and Calystegia soldanella extracts for memory improvement. Journal of Microbiology and Biotechnology, 34(5), 1092.
       
      - Goguel, V., Belair, A. L., Ayaz, D., Lampin-Saint-Amaux, A., Scaplehorn, N., Hassan, B. A., & Preat, T. (2011). Drosophila amyloid precursor protein-like is required for long-term memory. Journal of Neuroscience, 31(3), 1032-1037.
       
      - Wang, C. M., Wu, C. Y., Lin, C. E., Hsu, M. C., Lin, J. C., Huang, C. C., ... & Chiang, H. C. (2023). Forgotten memory storage and retrieval in Drosophila. Nature communications, 14(1), 7153.
       
      - Tomita, J., Ueno, T., Mitsuyoshi, M., Kume, S., & Kume, K. (2015). The NMDA receptor promotes sleep in the fruit fly, Drosophila melanogaster. PloS one, 10(5), e0128101.
       
      - Keleman, K., Vrontou, E., Krüttner, S., Yu, J. Y., Kurtovic-Kozaric, A., & Dickson, B. J. (2012). Dopamine neurons modulate pheromone responses in Drosophila courtship learning. Nature, 489(7414), 145-149.
    기억 학습 행동 신경망 상동성
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  • Backcrossing은 어떻게 하나요? 왜 하나요? (Backcrossing, Cantonizing) 초파리 형질전환

    유전학 연구에서 특정 유전자의 기능을 정확히 규명하려면, 그 유전자가 다른 불필요한 변이와 섞이지 않도록 균질한 유전적 배경 위에 보존하는 것이 중요합니다. 이를 위해 널리 사용되는 기법이 Backcrossing이며 초파리 연구에서는 특히 Cantonizing이라는 형태로 활용됩니다.

    초파리 연구에서 가장 널리 사용되는 표준 계통은 Canton-S입니다. 특정 유전자 변이를 가진 초파리를 이 Canton-S 계통과 반복적으로 교배하여 해당 변이를 Canton-S 배경으로 동질화하는 과정을 Cantonizing이라 합니다. 이 과정을 통해 형질 전환 초파리 생성 과정에서 발생할 수 있는 유전적 이질성 (heterogeneity)을 최소화하고 관심 있는 유전자를 제외한 불필요한 돌연변이나 변이들을 제거할 수 있습니다. Backcrossing을 통해 동일한 조건에서 실험을 수행하고 실험 재현성을 높일 수 있으며 표준 strain과의 직접적인 비교도 가능해집니다.

     

    결국 Backcrossing은 특정 형질이나 유전자를 가진 개체(F1)를 원래의 부모형 또는 표준 strain (Canton-S)과 반복적으로 교배하여 목표 유전자만 유지하면서 나머지 유전자를 표준 배경으로 회귀시키는 과정입니다. 이러한 Backcrossing 및 Cantonizing은 불필요한 변이 제거, 유전적 배경 표준화, 연구 신뢰성 확보라는 세 가지 핵심 목적을 달성하는 데 필수적인 유전학적 기법이라 할 수 있습니다.

     

     

    그림 1. D. ananassae의 특정 유전자를 D. pallidosa 유전적 배경으로 도입하기 위한 Backcrossing 과정.

     

     

    각 단계는 D. ananassae에서 유래한 Dl 및 Om(2D) 유전자가 포함된 염색체를 D. pallidosa로 점차 도입하고 반복적 역교배를 통해 D. pallidosa의 유전적 배경으로 회귀시키는 과정을 나타냅니다. 첫 번째 교배에서 F1 잡종을 얻고 이 잡종 암컷을 D. pallidosa 수컷과 교배하여 Backcross line를 형성합니다. 이후 동일한 과정을 5~10세대 반복하여, D. pallidosa 배경 속에 Dl 유전자만 유지된 개체([Dl] 암컷)을 획득합니다. 이를 통해 불필요한 D. ananassae 유전자는 점차 제거되고, 표준화된 유전적 배경 위에 관심 유전자만 보존할 수 있습니다.

     

     

    유사질문
    • 초파리 돌연변이 라인과 Deficiency 라인의 차이가 무엇인가요?
    • 하얀 눈 초파리는 야생형이 아닌데 왜 실험 대조군으로 사용하나요?
    References
      1) Evangelou A, Ignatiou A, Antoniou C, Kalanidou S, Chatzimatthaiou S, Shianiou G, Ellina S, Athanasiou R, Panagi M, Apidianakis Y, Pitsouli C. Unpredictable Effects of the Genetic Background of Transgenic Lines in Physiological Quantitative Traits. G3 (Bethesda). 2019 Nov 5;9(11):3877-3890. doi: 10.1534/g3.119.400715.
       
      2) Doi M, Matsuda M, Tomaru M, Matsubayashi H, Oguma Y. A locus for female discrimination behavior causing sexual isolation in Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001 Jun 5;98(12):6714-9. doi: 10.1073/pnas.091421598.
    유전학 계통 형질 돌연변이 재조합
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  • 서로 다른 감각 자극이 동시에 들어올 때, 초파리는 어떤 기준으로 선택을 하나요? 초파리 형질전환

    동물은 환경으로부터 다양한 감각 정보를 동시에 받아들이고, 그중 어떤 자극에 반응할지 결정하며 살아갑니다. 이러한 감각 자극의 신경 정보 처리 과정은 생존과 직결되는 중요한 의사결정 기전으로 먹이 선택, 포식자 회피, 짝짓기와 같은 행동의 기반이 됩니다. 예를 들어, 에너지원인 단맛과 해로운 신호인 쓴맛이 동시에 주어질 때 어떤 감각이 행동을 주도하게 되는지는 감각 처리와 신경 회로 간 상호작용을 이해하는 데 핵심적인 질문입니다. 초파리는 이런 감각 선택 과정의 분자적·신경학적 기전을 연구하기 위한 강력한 모델 생물입니다.

    최근 연구에서는 단맛과 쓴맛 자극이 동시에 주어졌을 때 초파리가 단맛에 의해 쓴맛을 억제하는 ‘단맛 우세 현상(sweet-dominance)’을 보이며 이 현상이 ephaptic coupling (시냅스를 통하지 않는 신경세포 간 전기적 소통)이라는 비전형적인 기전을 통해 매개된다는 사실이 밝혀졌습니다 (그림 1). 이는 감각 간 우선순위 결정이 단순한 수용체 반응을 넘어서, 신경세포 간의 상호작용 수준에서 조절될 수 있음을 시사합니다.

     

     

    그림 1. 초파리 미각 세포 (gustatory receptor neuron, GRN) 간 상호작용 개요.

     

     

    단맛 세포와 쓴맛 세포는 ephaptic inhibition을 통해 서로 억제하지만, 단맛 세포에는 HCN 채널 (Ih 유전자 산물)이 발현되어 쓴맛 신호를 상쇄하며 ‘단맛 우세(sweet dominance)’ 현상을 유도한다. 이를 규명하기 위해 Ih 기능 상실 돌연변이가 활용되었으며, 대표적인 돌연변이인 Ihf03355는 piggyBac 전이인자(PBac{WH}) 삽입으로, Ih-TG4.0은 Minos 기반 Trojan-GAL4 cassette 삽입으로 제작된 기능 상실 형질전환체입니다. 정상 Ih 유전자는 신경세포의 휴지막 전위를 안정화하고 감각 신호의 균형을 유지하지만 Ih 돌연변이체에서는 단맛과 쓴맛이 섞인 먹이에 노출 시 감각 변조 능력이 손상되어 쓴맛 회피 행동이 저하되는 특징이 보고되었습니다. 따라서 Ih 형질전환체는 미각 세포 상호작용과 섭식 행동 조절의 분자적 기전을 연구하는 데 중요한 도구로 활용됩니다.

     

    유사질문
    • 초파리 신경망을 조절할 수 있는 분자유전학 도구에는 무엇이 있나요?
    • 초파리가 들을 수 있는 음역대는 어떻게 되나요?
    References
      1) Lee M, Kim SY, Park T, Yoon SE, Kim YJ, Joo KM, Kwon JY, Kim K, Kang K. An evolutionarily conserved cation channel tunes the sensitivity of gustatory neurons to ephaptic inhibition in Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Jan 21;122(3):e2413134122. doi: 10.1073/pnas.2413134122. Epub 2025 Jan 17.
    감각신경 상호작용 ephaptic coupling 신경망
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  • 애벌레 단계에서 고를 수 있는 밸런서는 어떤 것들이 있나요? 초파리 형질전환

    초파리의 유전자 돌연변이를 연구할 때 밸런서 염색체는 핵심 도구입니다. 밸런서는 염색체 내에서 다중 역위(inversion)를 포함하고 있어 상동염색체 간 교차(recombination)를 억제하며 가시적 표지(marker mutation)를 포함해 특정 유전자형을 쉽게 구별할 수 있도록 설계되어 있습니다. 전통적으로는 성체 초파리의 Curly (날개가 곱슬하게 말림), Stubble (짧고 뭉툭한 체모), Lobe (눈 크기 감소)와 같은 표지를 통해 유전자형을 판별했지만 이러한 형질은 성체 단계에서만 확인 가능하다는 한계가 있었습니다.

     

    반면 애벌레 단계에서 직접 식별 가능한 밸런서는 매우 제한적입니다. 일부 형광 표지 밸런서(예: CyO-GFP, TM3-GFP)는 애벌레에서 형광현미경을 통해 구별할 수 있으나, 형광 신호가 약하거나 특정 조직에만 발현되어 정확한 선별이 어렵고 고가의 장비 의존성이 큽니다. 또한 기존의 Tubby¹ (Tb¹) 돌연변이는 3번 염색체에만 존재하여 X나 2번 염색체 밸런서와는 결합할 수 없는 제약이 있었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 2011년 Lattao 연구진은 Tubby¹ 유전자를 FM7a(X 염색체 밸런서)와 CyO(2번 염색체 밸런서)에 삽입해 각각 FM7-TbA, CyO-TbA를 개발했습니다(그림 1). 이 밸런서는 Tubby 형질(애벌레가 짧고 뚱뚱한 체형을 보임)이 발달 단계에서 뚜렷하게 나타나므로 형광 장비 없이도 육안으로 이형접합을 선별할 수 있으며, lethal 돌연변이 연구와 발생 단계 분석에 매우 유용합니다.

     

     

    그림 1. Tubby¹ (Tb¹) 변이가 포함된 다양한 밸런서 염색체를 가진 번데기의 비교.

     

     

    각각의 번데기 표본은 다른 Tb 변이 또는 밸런서 염색체를 가진 개체들입니다. OR-R은 변이가 없는 정상 초파리이며 TM6B와 TwdlA은 기존의 밸런서입니다.

    FM7-TbA와 CyO-TbA는 Tb¹ 유전자가 삽입된 X염색체와 2번 염색체 밸런서를 나타내며, 이들은 “짧고 뚱뚱한” 특징적인 체형이 애벌레 및 번데기 단계에서 육안으로 구별 가능합니다.

     

     

    유사질문
    • 초파리 번데기에서 암수 고르는 방법이 있나요?
    • 초파리 애벌레에서 암수 고르는 방법이 있나요?
    References
      1) Lattao R, Bonaccorsi S, Guan X, Wasserman SA, Gatti M. Tubby-tagged balancers for the Drosophila X and second chromosomes. Fly (Austin). 2011 Oct-Dec;5(4):369-70. doi: 10.4161/fly.5.4.17283. Epub 2011 Jul 25.
    유전학 발생 밸런서 발달학 유충
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  • 초파리의 행동을 관찰하는 실험에는 어떤 종류가 있나요? 초파리 형질전환

    생물은 생존과 종족 번식을 위해 외부 환경에 적절히 반응하며 특히 위험한 독성물질을 피하고 에너지원을 효율적으로 섭취하는 능력은 생존에 핵심적인 역할을 합니다. 자연에는 섭취 시 독성을 유발할 수 있는 물질이 다수 존재하며 이에 따라 동물들은 먹이의 성분을 정교하게 평가하고 선별하는 감각 체계와 행동 전략을 발달시켜 왔습니다.

     

    초파리는 이러한 감각적 의사결정을 연구하는 데 이상적인 모델 생물로 특히 섭식 행동에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 다양한 실험 기법 중 Capillary Feeder (CAFÉ) assay는 초파리의 실제 먹이 섭취량을 정량적으로 측정할 수 있는 대표적인 방법으로 유전적 변이나 환경적 요인이 섭식에 미치는 영향을 평가하는 데 널리 사용되어 왔습니다 (그림 1 왼쪽).

     

    특히 hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) 채널을 암호화하는 Ih 유전자가 결손된 Ih-deficient mutant는 대표적인 형질전환체 모델 중 하나로, Ihf03355 돌연변이는 Pbac{WH}f03355라는 piggyBac 전이인자의 삽입으로 Ih-TG4.0은 Mi{Trojan-GAL4.0}Ih[MI04168-TG4.0]라는 Minos 기반 Trojan-GAL4 cassette 삽입으로 제작되었습니다. 정상적인 Ih는 신경세포의 휴지막 전위를 조절하고 감각 뉴런의 흥분성을 안정화하는 기능을 담당하지만 이러한 돌연변이체에서는 단맛 식이 노출 시 감각 신호 변조 능력이 손상되고 쓴맛 회피 행동이 저하되는 등 섭식 조절 이상이 보고되어 있습니다 (그림 1 오른쪽).

     

    이와 함께 별도의 염색체에 Ih 유전자를 삽입한 형질전환체 제작하여 Ih 돌연변이체와 교배함으로써 Ih 기능 상실로 인한 섭식 행동 이상이 회복되었으며 이를 통해 관찰된 표현형이 Ih 유전자 결손에 의해 직접적으로 발생함을 입증하였습니다.

     

    그림 1. CAFÉ assay를 이용한 단맛 우세 현상 분석.

     

     

    초파리에게 쓴맛 물질 (caffeine)만 포함된 용액과 caffeine에 설탕 (sucrose)이 혼합된 용액을 동시에 제공하여 선호 행동을 CAFÉ assay를 통해 평가하였습니다. 그 결과, 야생형 (WT) 초파리는 쓴맛 속에 있는 단맛을 인식하고 해당 용액을 선호하는 수치를 보여주는 선호 지수 (preference index)가 높지만 Ih 기능상실 돌연변이의 경우 선호지수가 유의하게 감소하였습니다. 이러한 섭식 이상 행동은 다른 염색체에 Ih 유전자를 삽입함으로써({Ih}) 회복되었음을 보여줍니다.

     

     

    유사질문
    • 초파리의 수면 행동을 관찰하는 실험에는 어떤 것들이 있고 어떤 형질전환체를 사용하나요?
    • 초파리의 기억력 행동을 관찰하는 실험에는 어떤 것들이 있고 어떤 형질전환체를 사용하나요?
    References
      1) Diegelmann S, Jansen A, Jois S, Kastenholz K, Velo Escarcena L, Strudthoff N, Scholz H. The CApillary FEeder Assay Measures Food Intake in Drosophila melanogaster. J Vis Exp. 2017 Mar 17;(121):55024. doi: 10.3791/55024.
       
      2) Du EJ, Ahn TJ, Sung H, Jo H, Kim HW, Kim ST, Kang K. Analysis of phototoxin taste closely correlates nucleophilicity to type 1 phototoxicity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2019 Jun 11;116(24):12013-12018. doi: 10.1073/pnas.1905998116. Epub 2019 May 28.
       
      3) Lee M, Kim SY, Park T, Yoon SE, Kim YJ, Joo KM, Kwon JY, Kim K, Kang K. An evolutionarily conserved cation channel tunes the sensitivity of gustatory neurons to ephaptic inhibition in Drosophila. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025 Jan 21;122(3):e2413134122. doi: 10.1073/pnas.2413134122. Epub 2025 Jan 17.
    행동학 섭식 신경망 수면 상동성
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  • 초파리의 유전자가 인간과 얼마나 유사한가요? 초파리 형질전환

     초파리는 단순한 생물이지만 유전자 연구에서 놀랍도록 강력한 모델 생물로 알려져 있습니다. 그렇다면 이 작은 곤충의 유전자는 과연 인간과 얼마나 닮았을까요? 놀랍게도 초파리와 인간의 유전적 유사성은 매우 높습니다. 초파리의 전체 유전자 중 약 60%는 인간과 유사한 서열 또는 기능을 가지며 특히 암 관련 유전자에서는 매우 높은 유사성을 보입니다. 유전적 유사성 뿐만 아니라 해부학적 구조도 비슷한데 신경계, 심장, 식도, 장, 생식선, 지방 등과 같이 인간이 가지고 있는 조직 및 기관과 구조적 및 기능적 유사한 면을 가져 치료제 발굴에 적극적으로 사용되는 모델 생물이기도 합니다  (그림 1A).

     

     

     대표적인 초파리 기반 암 연구 모델 중 하나는 인간 RET 유전자를 발현한 형질전환체입니다. RET는 세포 증식과 분화에 관여하는 수용체 타이로신 키나아제로 활성화 돌연변이(예: MEN2A, MEN2B, RET/PTC 재배열)는 다양한 종양을 유발하는 것으로 알려져 있습니다. 이를 모사하기 위해 연구자들은 Gal4/UAS 시스템을 이용하여 초파리의 눈 조직에서 돌연변이형 RET (dRet)을 발현시켰으며 그 결과 극심한 안구 과증식과 조직 이상이 나타났습니다 (그림 2). 이러한 형질전환체는 인간 암 유전자의 발암 기전을 생체 수준에서 재현했으며 약물 저해제 (ZD6474)의 효능을 신속하게 평가하였습니다. 실제로 RET 저해제인 ZD6474 처리 시 돌연변이 RET로 인한 안구의 비정상적 발달이 현저히 억제되는 것이 관찰되어 초파리 모델이 암 유전자 기능 연구와 약물 스크리닝 모두에 유용함을 보여주었습니다.

     

     

    그림1. 초파리와 인간 장기의 구조 및 기능적 유사성. 초파리는 뇌, 지방체, 장기 등 주요 기관이 인간과 기능적으로 유사하여 암과 대사질환 연구에 적합한 모델 생물체임. 이러한 유사성은 인간 질환을 모사하는 다양한 파리 모델 구축을 가능하게 합니다.

     

     

     

    그림 2. 초파리 형질전환체를 이용한 RET 변이 암 모델

     
      A. 야생형 초파리(wild type)의 정상적인 눈 구조.
      B. Gal4/UAS 시스템을 통해 인간의 종양 유발 RET 변이(dRet)를 발현시킨 초파리에서 관찰되는 과도한 세포 증식과 형태 이상.
      C. dRet 발현 초파리에 RET 저해제 ZD6474를 처리했을 때 비정상적 안구 발달이 억제되며, 정상에 가까운 구조가 회복되었습니다.
      D. 고배율 주사전자현미경 이미지. dRet 발현에 의해 세포 배열과 형태가 붕괴되는 반면, ZD6474 처리 시 세포 간 배열이 회복됨을 보여줍니다.
     
     
    유사질문
    • 왜 초파리를 연구에 사용하나요?
    • 초파리의 장기에 대해서 궁금해요. 사람의 장기와 비교해서 알려주세요
    • 초파리도 피가 있나요? 있다면 초파리 성체의 혈액은 어떻게 채취 할 수 있나요?
    References
      1) Ugur B, Chen K, Bellen HJ. Drosophila tools and assays for the study of human diseases. Dis Model Mech. 2016 Mar;9(3):235-44. doi: 10.1242/dmm.023762.
       
      2) Staats S, Lüersen K, Wagner AE, Rimbach G. Drosophila melanogaster as a Versatile Model Organism in Food and Nutrition Research. J Agric Food Chem. 2018 Apr 18;66(15):3737-3753. doi: 10.1021/acs.jafc.7b05900.
       
      3) Baenas N, Wagner AE. Drosophila melanogaster as an alternative model organism in nutrigenomics. Genes Nutr. 2019 May 6;14:14. doi: 10.1186/s12263-019-0641-y.
       
      4) Jiang H, Kimura T, Hai H, Yamamura R, Sonoshita M. Drosophila as a toolkit to tackle cancer and its metabolism. Front Oncol. 2022 Aug 25;12:982751. doi: 10.3389/fonc.2022.982751.
    유전자 모델생물 질병모델 상동성 유전학
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