Войти
Нох гены, подмножество генов гомеобоксных, представляют собой группу родственных генов, которые задают области плана тела в качестве зародыша вдоль головки хвоста оси животных. Hox- белки кодируют и определяют характеристики «положения», обеспечивая формирование правильных структур в правильных местах тела. Например, гены Hox у насекомых определяют, какие придатки образуются на сегменте (например, ноги, усики и крылья у плодовых мушек), а гены Hox у позвоночных определяют типы и форму формируемых позвонков. У сегментированных животных Hox белки, таким образом, придают сегментарную или позиционную идентичность, но не образуют сами сегменты.
Исследования Hox-генов у личинок с ресничками показали, что они экспрессируются только в тканях будущих взрослых особей. У личинок с постепенным метаморфозом гены Hox активируются в тканях тела личинки, обычно в области туловища, которые будут поддерживаться в процессе метаморфоза. У личинок с полным метаморфозом Hox-гены экспрессируются в основном в ювенильных зачатках и отсутствуют в преходящих тканях личинок. Личинки полуохордовых видов Schizocardium californicum и личинки пилидиума Nemertea не экспрессируют Hox-гены.
Аналогию генов Hox можно провести с ролью режиссера пьесы, который называет сцену, которую актеры должны разыграть следующей. Если режиссер называет сцены в неправильном порядке, весь спектакль будет представлен в неправильном порядке. Точно так же мутации в генах Hox могут привести к тому, что части тела и конечности окажутся в неправильном месте вдоль тела. Как и у постановщика пьес, гены Hox сами не участвуют в пьесе и не участвуют в формировании конечностей.
Белковый продукт каждого гена Hox представляет собой фактор транскрипции. Каждый ген Hox содержит хорошо законсервированную последовательность ДНК, известную как гомеобокс, сокращением которой изначально был термин «Hox». Однако в современном использовании термин Hox больше не эквивалентен гомеобоксу, потому что гены Hox - не единственные гены, обладающие гомеобоксической последовательностью: люди имеют более 200 генов гомеобокса, из которых 39 являются генами Hox. Таким образом, гены Hox являются подмножеством генов факторов транскрипции гомеобокса. У многих животных организация Hox-генов в хромосоме такая же, как и порядок их экспрессии вдоль передне-задней оси развивающегося животного, и, таким образом, считается, что они проявляют колинеарность. Производство продуктов гена Hox в неправильном месте в организме связано с метаплазией и предрасполагает к онкологическому заболеванию, например , пищевод Барретта является результатом измененного кодирования Hox и является предшественником рака пищевода.
Продуктами Hox-генов являются Hox-белки. Hox-белки - это подмножество факторов транскрипции, которые представляют собой белки, которые способны связываться со специфическими нуклеотидными последовательностями на ДНК, называемыми энхансерами, посредством которых они либо активируют, либо репрессируют сотни других генов. Один и тот же белок Hox может действовать как репрессор для одного гена и активатор для другого. Способность Hox-белков связывать ДНК обеспечивается частью белка, называемой гомеодоменом. Гомеодомен представляет собой ДНК-связывающий домен длиной 60 аминокислот (кодируемый соответствующей последовательностью ДНК из 180 пар оснований, гомеобоксом ). Эта аминокислотная последовательность складывается в мотив «спираль-поворот-спираль» (т.е. складка гомеодомена ), который стабилизируется третьей спиралью. Консенсусная полипептидная цепь показана ниже: Hox-белки часто действуют в партнерстве с кофакторами, такими как белки PBC и Meis, кодируемые очень разными типами гена гомеобокса.
Helix 1 Helix 2 Helix 3/4 ______________ __________ _________________ RRRKRTAYTRYQLLELEKEFLFNRYLTRRRRIELAHSLNLTERHIKIWFQNRRMKWKKEN....|....|....|....|....|....|....|....|....|....|....|....| 10 20 30 40 50 60
Экспрессия Hox-генов в сегментах тела разных групп членистоногих. Гены Hox 7, 8 и 9 соответствуют в этих группах, но сдвинуты (за счет гетерохронии ) максимум на три сегмента. Сегменты с максиллопедами имеют ген Hox 7. У ископаемых трилобитов, вероятно, было три области тела, каждая с уникальной комбинацией генов Hox. Гены гомеобокса и, следовательно, мотив гомеодоменного белка обнаруживаются у большинства эукариот. Гены Hox, являясь подмножеством генов гомеобокса, возникли совсем недавно в ходе эволюции в животном мире или Metazoa. В животном мире гены Hox присутствуют в bilateria (животные с четкой осью от головы к хвосту), а также были обнаружены у Cnidaria, таких как морские анемоны. Это означает, что гены Hox возникли более 550 миллионов лет назад. У bilateria гены Hox часто располагаются в кластерах генов, хотя есть много исключений, когда гены были разделены хромосомными перестройками. Сравнение последовательностей гомеодоменов между Hox белками часто обнаруживает большее сходство между видами, чем внутри одного вида; Это наблюдение привело к выводу, что кластеры Hox-генов произошли на ранних этапах эволюции животных из одного Hox-гена посредством тандемной дупликации и последующей дивергенции, и что прототипный кластер Hox-генов, содержащий по крайней мере семь разных Hox-генов, присутствовал у общего предка всех билатерианских животных. животные.
У большинства двусторонних животных Hox гены экспрессируются в шахматных доменах вдоль оси эмбриона голова-хвост, указывая тем самым, что их роль в определении положения является общей древней особенностью. Функциональная консервация Hox-белков может быть продемонстрирована тем фактом, что муха может в значительной степени функционировать с куриным Hox-белком вместо своего собственного. Таким образом, несмотря на наличие последнего общего предка, который жил более 550 миллионов лет назад, версия одного и того же гена Hox у курицы и мухи достаточно похожа, чтобы нацеливаться на одни и те же гены, расположенные ниже по течению, у мух.
Экспрессия гена гомеобокса (Hox) у Drosophila melanogaster Drosophila melanogaster - важная модель для понимания генерации и эволюции строения тела. Общие принципы функции и логики Hox-гена, выясненные на примере мух, применимы ко всем двустворчатым организмам, включая человека. У дрозофилы, как и у всех насекомых, восемь Hox-генов. Они сгруппированы в два комплекса, оба из которых расположены на хромосоме 3. Комплекс Antennapedia (не путать сгеном Antp) состоит из пяти генов: лабиальных ( lab), хобосипедий ( pb), деформированных ( Dfd), половых. гребни уменьшенные ( Scr) и Antennapedia ( Antp). Комплекс Bithorax, названный в честь гена Ultrabithorax, состоит из оставшихся трех генов: Ultrabithorax ( Ubx), abdominal-A ( abd-A) и abdominal-B ( abd-B).
Ген lab является наиболее экспрессируемым геном. Он выражен в голове, прежде всего во вставочном сегменте ( сегмент без придатка между антенной и нижней челюстью), а также в средней кишке. Утрата лабораторных функций приводит к неспособности эмбриона дрозофилы усвоить структуры рта и головы, которые первоначально развиваются за пределами его тела (процесс, называемый инволюцией головы). Отсутствие инволюции головы приводит к нарушению или удалению слюнных желез и глотки. Первоначально лабораторный ген был назван так потому, что разрушал губные отростки; однако ген lab не экспрессируется в губном сегменте, и фенотип губных придатков, вероятно, является результатом обширной дезорганизации, возникающей в результате неспособности инволюции головы.
Пб ген отвечает за формирование губных и челюстных щупиков. Некоторые данные показывают, что pb взаимодействует с Scr.
Ген Dfd отвечает за формирование верхнечелюстного и нижнечелюстного сегментов в голове личинки. Мутантные фенотипы Dfd сходны с фенотипами губных. Потеря функции Dfd у эмбриона приводит к нарушению инволюции головы (см. Губной ген) с потерей личиночных структур головы. Мутации у взрослых включают либо делеции частей головы, либо преобразование головы в торакальную идентичность.
Ген Scr отвечает за развитие головного и грудного отделов у эмбрионов дрозофилы и взрослых особей.
Второй грудной сегмент, или Т2, развивает пару ног и пару крыльев. Ген Antp определяет эту идентичность, способствуя формированию ног и разрешая (но не напрямую активируя) формирование крыльев. Доминантная мутация Antp, вызванная хромосомной инверсией, вызывает экспрессию Antp в имагинальном диске усиков, так что вместо образования антенны диск образует ножку, в результате чего ножка выходит из головы мухи.
Дикий тип (слева), мутант Antennapedia (справа) Третий грудной сегмент, или Т3, несет пару ног и пару жужжальцев (сильно уменьшенные крылья, которые уравновешивают во время полета). Ubx формирует T3 в основном за счет репрессии генов, участвующих в формировании крыльев. Лопасть крыла состоит из двух слоев клеток, которые плотно прилегают друг к другу и снабжаются питательными веществами через несколько жилок крыла. Один из многих генов, которые подавляет Ubx, - пузырчатый, который активирует белки, участвующие в межклеточной адгезии, и spalt, который определяет расположение жилок крыльев. У мутантов с потерей функции Ubx Ubx больше не репрессирует гены крыльев, и жужжальцы развиваются как вторая пара крыльев, в результате чего появляются знаменитые четырехкрылые мухи. Когда Ubx неправильно экспрессируется во втором грудном сегменте, как это происходит у мух с мутацией энхансера "Cbx", он репрессирует гены крыльев, и крылья развиваются как жужжальцы, в результате чего получается муха с четырьмя недоуздками.
В дрозофилы, абд-А выражается вдоль большей части брюшной полости, из брюшных сегментов 1 (А1) до A8. Выражение abd-A необходимо для определения идентичности большинства сегментов брюшной полости. Основная функция abd-A у насекомых - подавлять формирование конечностей. У мутантов с потерей функции abd-A брюшные сегменты с A2 по A8 трансформируются в идентичность, более похожую на A1. Когда abd-A эктопически экспрессируется по всему эмбриону, все сегменты перед A4 трансформируются в брюшную идентичность, подобную A4. Ген abd-A также влияет на паттерн образования кутикулы в эктодерме и паттерн образования мышц в мезодерме.
Ген abd-B транскрибируется в двух разных формах: регуляторный белок и морфогенный белок. Регуляторные abd-B подавляют эмбриональные вентральные эпидермальные структуры в восьмом и девятом сегментах брюшка дрозофилы. И регуляторный белок, и морфогенный белок участвуют в развитии хвостового сегмента.
Также обычно предполагается, что белки с высокой степенью сходства последовательностей демонстрируют высокую степень функционального сходства, т.е. предполагается, что Hox-белки с идентичными гомеодоменами обладают идентичными ДНК-связывающими свойствами (если не известно, что дополнительные последовательности влияют на связывание ДНК). Чтобы идентифицировать набор белков между двумя разными видами, которые, скорее всего, будут наиболее похожи по функциям, используются схемы классификации. Для белков Hox существуют три разные схемы классификации: на основе филогенетического вывода, на основе синтении и на основе сходства последовательностей. Три схемы классификации предоставляют противоречивую информацию для белков Hox, экспрессируемых в середине оси тела ( Hox6-8 и Antp, Ubx и abd-A). Комбинированный подход использовал основанную на филогенетических выводах информацию о различных видах и наносил типы последовательностей белков на филогенетическое дерево видов. Подход идентифицировал белки, которые лучше всего представляют предковые формы ( Hox7 и Antp), и белки, которые представляют новые, производные версии (или были потеряны у предка и теперь отсутствуют у многих видов).
Hox-гены действуют на многих уровнях иерархии генов развития: на «исполнительном» уровне они регулируют гены, которые, в свою очередь, регулируют большие сети других генов (например, генный путь, образующий придаток). Они также напрямую регулируют так называемые гены-реализаторы или гены-эффекторы, которые действуют в нижней части такой иерархии, чтобы в конечном итоге сформировать ткани, структуры и органы каждого сегмента. Сегментация включает в себя такие процессы, как морфогенез (дифференциация клеток-предшественников в их конечные специализированные клетки), тесная ассоциация групп клеток со сходными судьбами, формирование структур и границ сегментов посредством запрограммированной гибели клеток и перемещение клеток оттуда, где они находятся. первыми родились там, где они в конечном итоге будут функционировать, поэтому неудивительно, что гены-мишени Hox-генов способствуют делению клеток, адгезии клеток, апоптозу и миграции клеток.
| Организм | Целевой ген | Нормальная функция целевого гена | Регулируется |
|---|---|---|---|
| Дрозофила | без дистального | активирует генный путь формирования конечностей | УЛЬТРАБИТОРАКС (подавляет без дистального отдела) |
| без дистального | активирует генный путь формирования конечностей | АБДОМИНАЛ-А (подавляет без дистального отдела) | |
| декапентаплегический | вызывает изменения формы клеток в кишечнике, которые требуется для нормальной висцеральной морфологии | УЛЬТРАБИТОРАКС (активирует декапентаплегию) | |
| жнец | Апоптоз: локальная гибель клеток создает сегментарный граница между верхней и нижней челюстями головы | ДЕФОРМИРОВАННАЯ (активирует жатку) | |
| декапентаплегический | предотвращает указанные выше клеточные изменения в более заднем позиции | АБДОМИНАЛ-Б (подавляет декапентаплегию) | |
| Мышь | EphA7 | Адгезия клеток: вызывает плотную ассоциацию клеток в дистальная конечность, которая образует кости пальца, запястья и предплюсны | HOX-A13 (активирует EphA7) |
| Cdkn1a | Клеточный цикл: дифференциация клеток миеломоноцитов в моноциты (лейкоциты) с остановкой клеточного цикла | Hox-A10 (активирует Cdkn1a) |
Последовательность ДНК, связанная с гомеодоменным белком, содержит нуклеотидную последовательность TAAT, причем 5'- концевой Т является наиболее важным для связывания. Эта последовательность консервативна почти во всех сайтах, распознаваемых гомеодоменами, и, вероятно, различает такие места, как сайты связывания ДНК. Пары оснований, следующие за этой начальной последовательностью, используются для различения гомеодоменных белков, каждый из которых имеет сходные сайты узнавания. Например, нуклеотид, следующий за последовательностью TAAT, распознается аминокислотой в положении 9 гомеодоменного белка. В материнском белке Bicoid это положение занимает лизин, который распознает и связывается с нуклеотидом гуанином. В Antennapedia эту позицию занимает глутамин, который распознает аденин и связывается с ним. Если лизин в Bicoid заменяется глутамином, полученный белок распознает сайты усилителей связывания Antennapedia.
Однако все факторы транскрипции, содержащие гомеодомен, связывают по существу одну и ту же последовательность ДНК. Последовательность, связанная с гомеодоменом белка Hox, имеет длину всего шесть нуклеотидов, и такая короткая последовательность может быть случайно обнаружена много раз по всему геному, намного больше, чем количество фактических функциональных сайтов. Особенно для Hox белков, которые вызывают такие драматические изменения морфологии при неправильной экспрессии, возникает вопрос, как каждый фактор транскрипции может давать такие специфические и разные результаты, если все они связываются с одной и той же последовательностью. Одним из механизмов, который обеспечивает большую специфичность последовательности ДНК к Hox-белкам, является связывание белковых кофакторов. Двумя такими кофакторами Hox являются Extradenticle (Exd) и Homothorax (Hth). Exd и Hth связываются с белками Hox и, по-видимому, вызывают конформационные изменения в белке Hox, повышающие его специфичность.
Так же, как гены Hox регулируют гены-реализаторы, они, в свою очередь, регулируются другими генами. В дрозофилы и некоторых насекомых (но не большинство животных), гены Нох регулируются генами щелевых и генов-пара правил, которые, в свою очередь, регулируемых матерински-поставляемой мРНК. Это приводит к каскаду факторов транскрипции: материнские факторы активируют гены пробела или парного правила; гены пробела и правила пар активируют гены Hox; затем, наконец, гены Hox активируют гены-реализаторы, которые заставляют сегменты в развивающемся эмбрионе дифференцироваться. Регулирование достигается за счет градиентов концентрации белка, называемых морфогенными полями. Например, высокие концентрации одного материнского белка и низкие концентрации других активируют определенный набор генов пробелов или парных правил. У мух полоса 2 эмбриона активируется материнскими белками Bicoid и Hunchback, но подавляется белками Giant и Kruppel. Таким образом, полоса 2 будет формироваться только там, где есть Bicoid и Hunchback, но не там, где есть Giant и Kruppel.
Нити микроРНК, расположенные в Hox-кластерах, как было показано, ингибируют большее количество передних Hox-генов («феномен задней распространенности»), возможно, для лучшей тонкой настройки паттерна его экспрессии.
Было показано, что некодирующая РНК (нкРНК) в изобилии присутствует в кластерах Hox. У человека может присутствовать 231 нкРНК. Один из них, HOTAIR, заглушает транс (он транскрибируется из кластера HOXC и ингибирует поздние гены HOXD) за счет связывания с белками группы Polycomb (PRC2).
Структура хроматина важна для транскрипции, но также требует, чтобы кластер выходил за пределы хромосомной территории.
У высших животных, включая человека, ретиноевая кислота регулирует дифференциальную экспрессию Hox-генов вдоль переднезадней оси. Гены на 3'-концах Hox-кластеров индуцируются ретиноевой кислотой, что приводит к доменам экспрессии, которые простираются больше в передней части тела по сравнению с 5'-генами Hox, которые не индуцируются ретиноевой кислотой, что приводит к доменам экспрессии, которые остаются более задними.
Количественная ПЦР показала несколько тенденций в отношении колинеарности: система находится в равновесии, а общее количество транскриптов зависит от количества присутствующих генов в соответствии с линейной зависимостью.
У некоторых организмов, особенно у позвоночных, различные Hox-гены расположены очень близко друг к другу на хромосоме группами или кластерами. Порядок генов на хромосоме такой же, как экспрессия генов в развивающемся эмбрионе, причем первый ген экспрессируется на переднем конце развивающегося организма. Причина этой колинеарности еще не до конца понятна, но может быть связана с активацией Hox генов во временной последовательности путем постепенной распаковки хроматина вдоль кластера генов. На приведенной выше диаграмме показана взаимосвязь между генами и экспрессией белка у мух.
Гены Hox названы в честь гомеотических фенотипов, которые возникают, когда их функция нарушается, когда один сегмент развивается вместе с другим (например, ноги там, где должны быть антенны). Hox-генам в разных типах дали разные названия, что привело к путанице в номенклатуре. Дополнение Hox-генов у Drosophila состоит из двух кластеров, комплекса Antennapedia и комплекса Bithorax, которые вместе исторически назывались HOM-C (от Homeotic Complex). Хотя исторически гены HOM-C относились к гомологам Drosophila, тогда как гены Hox относились к гомологам позвоночных, это различие больше не проводится, и гены HOM-C и Hox называются Hox-генами.
Hox-гены у разных видов Мыши и люди имеют 39 Hox-генов в четырех кластерах:
| Кластер | Хромосома человека | Гены |
| HOXA @ | хромосома 7 | HOXA1, HOXA2, HOXA3, HOXA4, HOXA5, HOXA6, HOXA7, HOXA9, HOXA10, HOXA11, HOXA13 |
| HOXB @ | хромосома 17 | Hoxb1, HOXB2, HOXB3, НОХВ4, HOXB5, HOXB6, hoxb7, HOXB8, HOXB9, HOXB13 |
| HOXC @ | хромосома 12 | HOXC4, HOXC5, HOXC6, HOXC8, HOXC9, HOXC10, HOXC11, HOXC12, HOXC13 |
| HOXD @ | хромосома 2 | HOXD1, HOXD3, HOXD4, HOXD8, HOXD9, HOXD10, HOXD11, HOXD12, HOXD13 |
У предков позвоночных был один кластер генов Hox, который был продублирован (дважды) на ранних этапах эволюции позвоночных путем дупликации всего генома, давая четыре кластера генов Hox: Hoxa, Hoxb, Hoxc и Hoxd. В настоящее время неясно, произошли ли эти дупликации до или после расхождения миног и миксин от остальных позвоночных. Большинство млекопитающих, земноводных, рептилий и птиц имеют четыре кластера HOX, в то время как большинство костистых рыб, включая рыбок данио и медаку, имеют семь или восемь кластеров генов Hox из-за дополнительной дупликации генома, которая произошла в их эволюционной истории. У рыбок данио один из восьми кластеров генов Hox (кластер Hoxd) потерял все гены, кодирующие белок, и только один ген микроРНК отмечает местоположение исходного кластера. У некоторых костистых рыб, таких как лосось, произошла даже более поздняя дупликация генома, в результате чего семь или восемь кластеров генов Hox удвоились, давая по крайней мере 13 кластеров.
Основная статья: Hox-гены у амфибий и рептилийHox-гены, особенно из кластеров HoxA и HoxD, участвуют в регенерационных способностях конечностей у земноводных и рептилий. Кроме того, одна из ускоренных областей летучей мыши (аналогичная ускоренным областям человека ), называемая BAR116, является энхансером, который определяет уникальный паттерн экспрессии генов HoxD в передних и задних конечностях, возможно, играя роль в эволюции крыльев.
Amphioxus, такой как Branchiostoma floridae, имеет единственный Hox-кластер с 15 генами, известный как AmphiHox1 - AmphiHox15.
Шесть генов Hox рассредоточены в геноме аскариды Caenorhabditis elegans. Hydra и Nematostella vectensis, оба из Phylum Cnidaria, имеют несколько Hox / ParaHox-подобных генов гомеобокса. Экспрессия гена Hox также изучалась у брахиопод, кольчатых червей и ряда моллюсков.
Гены Hox названы так потому, что мутации в них вызывают гомеотические преобразования. Гомеотические трансформации были впервые идентифицированы и изучены Уильямом Бейтсоном в 1894 году, который ввел термин «гомеоз». После повторного открытия генетических принципов Менделя Бейтсон и другие поняли, что некоторые примеры гомеоза в органах цветов и скелетах животных можно отнести к вариациям в генах.
Окончательные доказательства генетической основы некоторых гомеотических трансформаций были получены путем выделения гомеотических мутантов. Первый гомеотический мутант был обнаружен Кальвином Бриджесом в лаборатории Томаса Ханта Моргана в 1915 году. Этот мутант демонстрирует частичное дублирование грудной клетки и поэтому был назван Bithorax ( bx). Он трансформирует третий грудной сегмент (Т3) во второй (Т2). Bithorax возник спонтанно в лаборатории и с тех пор постоянно поддерживается как лабораторный запас.
Генетические исследования Моргана и других послужили основой для систематического анализа Эдварда Б. Льюиса и Томаса Кауфмана, который дал предварительные определения многих гомеотических генов комплексов Bithorax и Antennapedia, а также показал, что мутантные фенотипы для большинства из них гены могут быть прослежены до дефектов формирования паттерна в плане эмбрионального тела.
Эд Льюис, Кристиан Нюсслейн-Фольхард и Эрик Ф. Вишаус идентифицировали и классифицировали 15 генов, имеющих ключевое значение для определения строения тела и формирования сегментов тела плодовой мушки D. melanogaster в 1980 году. В своей работе Льюис, Нюссляйн-Фольхард, и Wieschaus были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1995 году.
В 1983 году гомеобокс был независимо открыт исследователями в двух лабораториях: Эрнстом Хафеном, Майклом Левином и Уильямом МакГиннисом (в лаборатории Вальтера Геринга в Университете Базеля, Швейцария) и Мэтью П. Скоттом и Эми Вайнер (в лаборатории Томаса Кауфмана). лаборатория Университета Индианы в Блумингтоне ).
Hox-гены играют решающую роль в развитии таких структур, как конечности, легкие, нервная система и глаза. Как отметили в 2006 г. Т. Р. Лаппин и его коллеги, «эволюционное сохранение предоставляет неограниченные возможности для экспериментального исследования функционального контроля генной сети Hox, что дает важные сведения о болезнях человека». В будущем можно будет провести дополнительные исследования для изучения роли Hox-генов в лейкемии и раке (например, EOC).
