Сохранение
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.
Примечания[править | править код]
- ↑ McGinnis W; Levine M.S., Hafen E., Kuroiwa A., Gehring W.J. A conserved DNA sequence in homoeotic genes of the Drosophila Antennapedia and Bithorax complex complexes (англ.) // Nature. — 1984. — Vol. 308, no. 5958. — P. 428—433. — doi:10.1038/308428a0. — PMID 6323992.
- ↑ Scott MP; Weiner A.J. Structural relationships among genes that control development: sequence homology between the Antennapedia, Ultrabithorax, and fushi tarazu loci of Drosophila (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 1984. — Vol. 81, no. 13. — P. 4115—4119. — doi:10.1073/pnas.81.13.4115. — PMID 6330741.
- ↑ Ryan, Joseph F; Maureen E. Mazza, Kevin Pang, David Q. Matus, Andreas D. Baxevanis, Mark Q. Martindale, John R. Finnertyl. Pre-Bilaterian Origins of the Hox Cluster and the Hox Code: Evidence from the Sea Anemone, Nematostella vectensis (англ.) // PLOS One. — 2007. — January (vol. 2, no. 1). — P. e153. — doi:10.1371/journal.pone.0000153.
- ↑ Portoso M and Cavalli G. The Role of RNAi and Noncoding RNAs in Polycomb Mediated Control of Gene Expression and Genomic Programming // RNA and the Regulation of Gene Expression: A Hidden Layer of Complexity (англ.). — Caister Academic Press (англ.)русск., 2008.
- ↑ Новое в науке о знаменитых Hox-генах, регуляторах развития • Елена Наймарк • Новости науки на «Элементах» • Генетика. elementy.ru. Дата обращения 5 апреля 2019.
Hox-гены[править | править код]
Молекулярные данные свидетельствуют о том, что некоторое число Hox-генов есть даже у Cnidaria; возможно, они уже были у общих предков книдарий и истинных билатеральных животных. Таким образом, данные гены появились до начала палеозоя.
Hox-гены являются абсолютно необходимыми для развития многоклеточных, они определяют регионы развития эмбриона вдоль передне-задней оси. У амфибии Xenopus Эдди Робетисом с соавторами в 1984 году был выделен первый Hox-ген позвоночного (см. Carrasco, McGinnis, Gehring and De Robertis, Cell 37, 409—414, 1984).
У позвоночных четыре кластера паралогов частично отличаются по функциям, в частности, HoxA и HoxD определяют развитие по оси конечности.
Основной интерес к этим генам происходит из-за их уникального поведения. Эти гены обычно располагаются группами, линейный порядок генов внутри кластера соответствует времени или месту работы гена в развитии. Данное явление называют коллинеарностью. Изменения в генах в составе кластера приводят к сходным изменениям в соответствующих районах действия последующих генов. Примерами таких генов являются гены Antennapedia и bithorax у дрозофилы.
Гены схемы тела
желто-зеленый Hox белок (вместе с синим ко-фактором Exd) «сидит» на ДНК.
Hox гены кодируют схему тела.
Любого тела. Этот механизм не найден лишь у губок и простейших, и по всей видимости, у растений аналогичная система есть, но другая. Губки и простейшие — схемы тела не имеют. А все остальные животные (включая насекомых и морских звезд) — все используют фактически одну систему специфических Hox-генов — они все имеют ДНК «мотив» который называется homeobox. Белки с таким мотивом умеют «усаживаться» на ДНК. И таким образом регулировать экспрессию других генов. Это транскрипционные факторы. Но этого мало. Одиночный Hox ген не мог бы ничего размечать. Их уникальность — в том, что они кодируют ось организма группой — см. ниже «Колинеарность»
Эта система невероятно древняя — мы говорим о периоде ДО кембрийкского взрыва. Древнее сейчас нет ничего.
McGinnis & Krumlauf: Homeobox genes and axial patterning. Cell 1992
У других видов
Hox-гены у разных видов
Позвоночные
Мыши и люди имеют 39 Hox-генов в четырех кластерах:
| Кластер | Хромосома человека | Гены |
| хромосома 7 | HOXA1 , HOXA2 , HOXA3 , HOXA4 , HOXA5 , HOXA6 , HOXA7 , HOXA9 , HOXA10 , HOXA11 , HOXA13 | |
| хромосома 17 | Hoxb1 , HOXB2 , HOXB3 , НОХВ4 , HOXB5 , HOXB6 , hoxb7 , HOXB8 , HOXB9 , HOXB13 | |
| хромосома 12 | HOXC4 , HOXC5 , HOXC6 , HOXC8 , HOXC9 , HOXC10 , HOXC11 , HOXC12 , HOXC13 | |
| 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.
Hox-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.
Амфиоксус
Amphioxus, такой как Branchiostoma floridae, имеет единственный Hox-кластер с 15 генами, известный как AmphiHox1 — AmphiHox15 .
Другие беспозвоночные
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 .
Почему IRES лучше, чем кэп?
Важность того участка РНК, где находится предполагаемый IRES, в данном случае подтвердили экспериментально. Показали, что если подвергнуть мутации один из Нох-генов мышей, удалив IRES, то мышь будет развиваться ненормально (см
рисунок 1).
Рисунок 1. Патологии в развитии скелета мышей с делециями в 5′-нетранслируемой области в одном из Hox-генов — Ноха9.
Ученые вывели линию мышей, у которых поврежден IRES в одном из Нох-генов. Такие мыши развиваются ненормально. У них нарушается строение скелета: например, не хватает ребер (на недостающие ребра указывают черные стрелочки). Также наблюдаются и другие патологии. Картинка из .
Предполагают, что для очень важных белков, которые закодированы в Нох-генах, IRES лучше, чем кэп. Это может быть связано с тем, что кэп-структура у всех мРНК одинаковая. А IRES разные. То есть к белкам, которые определяют строение тела, нужен индивидуальный подход. Даже начало синтеза является важным этапом регуляции и должно быть уникальным для каждого такого белка.
Словарь терминов:
- IRES (Internal Ribosome Entry Site) — участок внутренней посадки рибосомы.
- Hox-гены — семейство генов, которые кодируют транскрипционные факторы, регулирующие формирование органов и тканей в ходе развития организма.
- Делеция — удаление фрагмента молекулы ДНК.
- Кэп — 7-метилгуанозин — структура на 5′-конце матричных РНК.
- Рибосома — комплекс, состоящий из РНК и белков и служащий для синтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК).
- Трансляция — синтез белка на матрице РНК.
- Хромосома — структура, состоящая из ДНК и белков, находящаяся в ядре эукариотической клетки. Предназначена для хранения, реализации и передачи генетической информации.
- Эукариоты — живые организмы, клетки которых содержат ядра.
Ссылки
- Акампора, Д., Д’Эспозито, М., Файелла, А., Паннезе, М., Мильяччио, Э., Морелли, Ф.,… и Бончинелли, Э. (1989). Человек HOX генная семья.Исследование нуклеиновых кислот, 17(24), 10385-10402.
- Фернер, Д. Э. (2011). Hox а также ParaHox гены в эволюции, развитии и геномике.Геномика, протеомика и биоинформатика, 9(3), 63-4.
- Хрицай, С. М., и Веллик, Д. М. (2016). Hox гены и эволюция.F1000 Исследования, 5, F1000 Факультет Рев-859.
- Лаппин, Т. Р., Гриер, Д. Г., Томпсон, А., и Холлидей, Х. Л. (2006). Гены HOX: соблазнительная наука, загадочные механизмы.Ольстерский медицинский журнал, 75(1), 23-31.
- Пирсон, Дж. К., Лемонс, Д., и МакГиннис, В. (2005). Модулирующий Hox функции генов во время формирования паттерна тела животных.Природа Обзоры Генетика, 6(12), 893.
характеристики
Гены Hox У них есть ряд очень своеобразных и интересных характеристик. Эти ключевые аспекты помогают понять его функционирование и его потенциальную роль в эволюционной биологии.
Эти гены организованы в «генные комплексы», что означает, что они расположены на хромосомах близко друг к другу — с точки зрения их пространственного расположения.
Вторая характеристика — это удивительная корреляция, которая существует между порядком генов в последовательности ДНК и переднезадним расположением продуктов этих генов в эмбрионе. Буквально в этом положении находятся гены, идущие «вперед».
Точно так же, помимо пространственной коллинеарности, существует временная корреляция. Гены, расположенные на 3′-конце, возникают раньше в развитии индивидуума по сравнению с генами, обнаруженными дальше назад.
Гены Hox принадлежат к классу ANTP, который также включает гены ParaHox (связанные с ними), гены NK и другие.
Регуляция Hox-генов
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.
Биохимическая функция
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
Структура генного комплекса Hox
Структура комплексов у протостомий , подразделения билатерий, частью которых является Drosophila, довольно вариабельна и мало изучена, за исключением нескольких модельных организмов ( Caenorhabditis elegans , Drosophila melanogaster , Euprymna scolopes и др.).
С другой стороны, комплексы генов Hox широко изучены у позвоночных (подразделение дейтеростомов , подразделение билатерий). Позвоночные животные обладают большим разнообразием в организации генных комплексов Hox. Различия в количестве генных комплексов Hox в разных ветвях позвоночных являются следствием различных дупликаций генома во время их эволюции. Базальная группа цефалохордовых , не подвергшаяся дупликации генома, имеет только один генный комплекс Hox (основанный на геноме амфиоксуса). Затем были две последовательные дупликации (1R и 2R) в гнатостомах, в результате чего количество Hox-комплексов достигло четырех. У остеихтигов (саркоптеригиев и актиноптеригов) Hox-гены саркоптеригов все еще организованы в четыре комплекса (A, B, C и D), в то время как у актиноптеригов очень разное количество Hox-комплексов. Действительно, большинство актиноптеригов — костистые кости , ветвь, подвергшаяся третьей геномной дупликации (3R), увеличивающей количество комплексов до восьми. Однако большинство видов актиноптеригий имеют только семь комплексов из-за потери комплекса HoxDb , но другие, такие как лосось, имеют до тринадцати комплексов Hox из-за события тетраплоидизации (4R). У хондрихтианов состав генных комплексов Hox A, B и D идентичен, тогда как комплекс HoxC полностью теряется у эластожаберных (акул и скатов), но сохраняется у химер ( holocephali ).
Три основных события дупликации Hox-генов у хордовых.
Каждый генный комплекс обычно расположен на отдельной хромосоме, но комплексы некоторых организмов, таких как Drosophila melanogaster, которые имеют два гена , расположены на одной хромосоме. Порядок генов на каждой хромосоме идентичен, потому что изначально каждый из различных генных комплексов Hox происходит от дублирования генома (пример противоположности человека). Однако некоторые гены в Hox-комплексе могли быть потеряны в некоторых линиях, возможно, из-за потери функции, вызванной избыточностью различных генных комплексов. Более того, поскольку различные Hox-гены возникают в результате дублирования генома, их называют паралогическими генами . Кроме того, различные комплексы генов Hox также паралогичны, даже если они не идентичны с точки зрения их генного состава.
Однако гены Hox не расположены на одних и тех же хромосомах у всех организмов, которые обычно имеют разное количество хромосом. У мышей комплексы HoxA, HoxB, HoxC и HoxD расположены соответственно на хромосомах 6, 11, 15 и 2, тогда как у людей они соответственно расположены на хромосомах 7, 17, 12 и 2.
Классификация Hox-белков
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).
Инициация трансляции бывает разная
Итак, генетический материал клетки закодирован в ДНК. С ДНК считывается определенный вид РНК, а с РНК — белок. Такой вид РНК называется матричной РНК, у он имеет определенное строение . Это линейная молекула, соответственно, у нее есть 2 конца, которые называются 5′- и 3′-концы. На 5′-конце есть особая структура — . Она необходима для начала синтеза белка на матрице РНК, так как привлекает фабрику белка — .
Так происходит у нас, но не у вирусов. Точнее, не у всех вирусов. У некоторых есть другие структуры в РНК, которые инициируют синтез белка — . Так вот оказывается, что в РНК млекопитающих иногда обнаруживают структуры, похожие на IRES вирусов. При этом кэп тоже присутствует. Получается РНК с двумя сигналами привлечения рибосомы. Это интересное явление часто имеет важный биологический смысл. Например, при стрессе кэп-зависимая инициация трансляции подавлена . Но некоторые белки должны синтезироваться и при стрессе. Вот тогда клетка и использует IRES. А как работает такая смешанная система в нормальных, не шоковых условиях — большая загадка. Клеточные IRES не похожи друг на друга , их роль в развитии организма не ясна. Найти ответ на этот вопрос попытались ученые, изучающие регуляцию Нох-генов .
Регуляция Hox-генов
Контроль экспрессии гена Hox регулируется очень широким спектром механизмов, некоторые из которых сохранились у насекомых и млекопитающих. Однако это могло быть результатом конвергентной эволюции, а не общего происхождения регуляторных механизмов.
У дрозофилы существует регуляция, по крайней мере, тремя различными регуляторными механизмами: регуляцией транскрипции генами первой сегментации, системой клеточной памяти, основанной на действии группы белков Polycomb (PcG) / trithorax (trxG) и перекрестным -регуляторные взаимодействия между различными Hox-генами. Однако определенные элементы, такие как преобладание задних Hox генов над более ранними Hox генами, указывают на то, что др. Механизмы могут участвовать в регуляции у Drosophila.
У позвоночных экспрессия Hox-генов имеет дополнительный регуляторный этап. На начальных стадиях развития постепенная активация Hox-генов происходит во временной последовательности, которая соответствует расположению генов в генном комплексе в направлении от 3 ‘до 5’. Это свойство называется временной коллинеарностью. Т.о., гены Hox у позвоночных экспрессируются в соответствии с их временной коллинеарностью, но также и в соответствии с их пространственной коллинеарностью (гены расположены в порядке их экспрессии), в то время как они представляют только пространственную коллинеарность у других билатерий, изученных на сегодняшний день. На главной оси развития организма активация Hox-генов зависит от скоординированной активности нескольких сигнальных путей, таких как пути, активируемые ретиноевой кислотой, факторами роста фибробластов (FGF) и дифференцирующим фактором роста 11 (Gdf11).
Прежде всего, экспрессия генов Hox в генном комплексе коррелирует с распределением различных модификаций гистонов (ацетилирование, метилирование и т. Д.), Которые позволяют активировать или инактивировать хроматин. Это указывает на то, что временной компонент активации гена Hox связан с постепенным изменением структуры хроматина. Более того, специфические конфигурации 3D хроматина, по-видимому, участвуют в регуляции Hox генов во время эмбрионального развития у позвоночных. Действительно, эксперименты показали, что хроматин хромосом сильно взаимодействует на уровне генного комплекса Hox, предполагая, что специфический механизм мечения на уровне генного комплекса Hox контролирует конформацию хромосом.
Экспрессия Hox-генов также может регулироваться некодирующими длинными РНК (lncRNAs), которые могут взаимодействовать с факторами транскрипции и модификаторами хроматина для регулирования экспрессии определенных генов во время развития, таких как Hox-гены. Среди различных днРНК, модифицирующих экспрессию определенных конкретных Hox-генов: битораксоид (bxd) , iab-8 , HOTTIP и HOTAIR . LncRNAs явно играют роль в регуляции экспрессии гена Hox у Drosophila, и исследования имеют тенденцию показывать, что они также присутствуют у позвоночных, но их точная роль в биологии клетки обсуждается.
Другой способ регуляции экспрессии гена Hox может быть осуществлен посредством дифференциальной обработки РНК, либо альтернативного сплайсинга, альтернативного полиаденилирования и / или использования альтернативного промотора. Дифференциальная обработка РНК приводит к образованию различных информационных РНК (мРНК) с разными структурами и / или генетической информацией. РНК-дифференциация — обычный процесс в регуляции Hox-генов у Drosophila. Однако различные методы лечения РНК, скорее всего, являются популярными, но мало изученными способами регуляции Hox-генов млекопитающих.
Регуляция экспрессии гена Hox также осуществляется за счет комплексного действия микроРНК (миРНК). МикроРНК — это небольшие некодирующие РНК, которые подавляют экспрессию генов, предотвращая связывание мРНК с их последовательностью-мишенью. Некоторые микроРНК регулируют экспрессию Hox-генов у позвоночных и дрозофилы.
Важно отметить, что некоторые из этих механизмов работают вместе, несмотря на их уникальные свойства.
У дрозофилы
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 ).
Губной
Ген lab является наиболее экспрессируемым геном. Он выражен в голове, прежде всего во ( 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.
Хобосипедия
Пб ген отвечает за формирование губных и челюстных щупиков. Некоторые данные показывают, что pb взаимодействует с Scr .
Деформированный
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.
Антеннапедия
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)
Ультрабиторакс
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.
Брюшной-А
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 .
Брюшной-B
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.
Каковы гены Hox?
Прежде чем определить понятие генов Нох, Важно знать, что такое ген и как он работает. Гены — это последовательности ДНК, сообщение которых выражено в фенотипе.
Сообщение ДНК записано в нуклеотидах, в некоторых случаях они переходят к РНК-мессенджеру, и это переводится рибосомами в последовательность аминокислот — структурных «блоков» белков.
Гены Нох они являются самым известным классом гомеотических генов, функция которых заключается в контроле специфических структур тела. Они ответственны за контроль идентичности сегментов вдоль переднезадней оси животных.
Они принадлежат к одному семейству генов, которое кодирует белок, имеющий специфическую аминокислотную последовательность, способную взаимодействовать с молекулой ДНК..
Вот откуда появился термин гомеобокс для описания этого участка в гене, а в белке он называется гомеодоменом. Последовательность гомеобокса имеет последовательность из 180 пар оснований, и эти домены эволюционно очень консервативны для разных типов.
Благодаря этому взаимодействию с ДНК, гены Нох способны регулировать транскрипцию других генов.
терминология
Вовлеченные гены, названные морфологические функции, называются локусы гомеотический. В животном мире наиболее важными являются локусы. HOM (у беспозвоночных) и локусы Нох (у позвоночных). Тем не менее, они обычно известны как локусы Нох.
Генная инженерия
Сейчас все большее количество правительств разных стран готовится к тому, чтобы разрешить эксперименты по редактированию генома на эмбрионах человека. Некоторые страны уже даже разрешили это, например, Великобритания.
Справедливости ради, пока мы не говорим о полностью готовом человеке с измененными генами, но все к этому идет. Вы же понимаете? Пока Великобритания разрешает ставить эксперименты только над эмбрионами, выращенными в лабораторных условиях. При этом они обязательно должны быть уничтожены через 14 дней после начала эксперимента. То есть формально нам это ничем не угрожает. Вопрос только в том, для чего это нужно тому, кто это разрешил. Явно не из любопытства. Что-то подсказывает, что как и многие передовые разработки, сначала это будет применяться в военных целях, ведь именно так можно получить универсального солдата. Он не будет хотеть есть или пить. Он не будет уставать или бояться взрывов. Небольшая корректировка генов и супер-солдат готов.
Более того! Такой способ воздействия, если человечество ему научится, может выйти из-под контроля. Или просто ”не в тех руках” это может стать оружием геноцида. Как видим, мрачных последствий куда больше, чем радужных. Поэтому прежде, чем делать что-то подобное, надо основательно взвесить все за и против. Даже клонирование на фоне этого может показаться милой забавой. Хотя изначально все были против этого.
Может не надо это трогать?
Но может все же что-то положительное в этом есть и можно дать шанс ученым доказать, что они не зря открывали инструменты редактирования? Какие преимущества редактирование генов может принести человеку?
Открытие
Открытие генов Hox это была веха в эволюционной биологии и биологии развития. Эти гены были обнаружены между 70-ми и 80-ми годами благодаря наблюдению двух ключевых мутаций у плодовой мушки: Drosophila melanogaster.
Одна из мутаций, антеннапедия, превращает усики в ноги, а мутация биторакс вызывает превращение жужжальцев (видоизмененных структур, типичных для крылатых насекомых) в другую пару крыльев.
Как видно, когда гены Hox обладают мутациями, результат этого весьма драматичен. И, как в Дрозофила, изменение приводит к образованию структур в неположенных местах.
До открытия генов Hox, большинство биологов считали, что морфологическое разнообразие поддерживается разнообразием на уровне ДНК. Было логично предположить, что очевидные различия между китом и колибри, например, должны быть отражены в генетических терминах.
С приходом генов Hox, Это мышление полностью изменилось, уступив место новой парадигме в биологии: общему пути генетического развития, объединяющему онтогенез многоклеточных животных.
Номенклатура
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.
Мутации в генах Hox; болезни
Гены Hox имеют первостепенное значение в развитии позвоночных. Таким образом, определенные аномалии в формировании органов у людей, особенно в формировании конечностей, были связаны с мутациями в определенных Hox-генах.
Например, синполидактилия (SPD), порок развития рук, вызванный сочетанием синдактилии (слияние пальцев) и полидактилии (дополнительные пальцы), вызван мутацией в гене HOXD13 . Эта мутация происходит из-за расширения последовательности, кодирующей остатки полиаланина, тем самым изменяя экспрессию гена.
Кроме того, многие исследования показывают участие Hox-генов в различных типах рака: груди, простаты, легких, щитовидной железы, яичников, мочевого пузыря, колоректального рака, опухолей головного мозга (глиобластомы) и т. Д.
Например, ген HOXA9 , который влияет на дифференцировку гемопоэтических клеток при сверхэкспрессии клетками, связан с острым миелоидным лейкозом.
