Homeotiska gener

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 15 september 2021; kontroller kräver 7 redigeringar .

Homeotiska gener  (eller homeotiska gener ) - gener som bestämmer processerna för tillväxt och differentiering i kroppen. Homeotiska gener kodar för transkriptionsfaktorer som styr program för bildandet av organ och vävnader [1] .

Mutationer i homeotiska gener kan göra att en del av kroppen förändras till en annan. Homeotiska mutanter är de organismer där ett organ av en annan typ utvecklas i stället för ett organ. Till exempel, i Drosophila , när antennapedia är muterad , bildas en lem i stället för antennen .

Homeotiska gener styr andra geners arbete och bestämmer omvandlingen av utåt oskiljbara delar av embryot eller ett visst organ (vävnad, en del av kroppen). I synnerhet kontrollerar homeotiska gener förekomsten av skillnader i segment av flercelliga djur i tidig embryonal utveckling. Hos insekter spelar homeotiska gener en nyckelroll för att bestämma de strukturella egenskaperna hos embryonala segment och strukturer på dem (ben, antenner, vingar, ögon).

De homeotiska generna hos djur tillhör familjen Hox-gener . Men inte alla gener i denna familj är homeotiska. I Drosophila inkluderar Hox-generna i Antennapedia- komplexet således generna zerknullt, zerknullt2, bicoid och fushi tarazu, som inte är homeotiska. [2]

Det finns också ParaHox -genfamiljen . Det finns sex ParaHox-gener i det mänskliga genomet (GSX1, GSX2, PDX1 , CDX1 , CDX2 , CDX4 ), varav tre gener (GSX1, PDX1 (=IPF1), CDX2) bildar ett kluster på kromosom 13 [3] .

Hos växter är också processer kända som styrs av homeotiska gener: phyllotaxis, utveckling av blommor och blomställningar.

Djur

Homeobox

Homeotiska gener innehåller en homeobox - en sekvens av 180 DNA  -baspar som bildar en homeodomän i det kodade proteinet .

Homeodomänen upptäcktes först i sammansättningen av gener som styr utvecklingen, och i synnerhet i sammansättningen av homeotiska gener, i Drosophila. Men många gener som innehåller en homeobox är inte homeotiska. Således är homeobox en specifik sekvens av nukleotider, medan homeos är potentialen för bildandet av en homeotisk mutation. [fyra]

Nukleotidsekvensen i homeoboxen är mycket konserverad. Den funktionella ekvivalensen av homeotiska proteiner kan bevisas av det faktum att utvecklingen av flugan med motsvarande homeotiska kycklinggener fortskrider normalt. [5] Även om den gemensamma förfadern till hönan och flugan fanns för cirka 670 miljoner år sedan, [6] liknar kycklingarnas homeotiska gener i den mån de kan ersätta varandra.

På grund av degenerationen av den genetiska koden är sekvensen av aminosyrarester i proteiner mer konservativ än sekvensen av nukleotider i DNA, eftersom olika kodon kan koda för en aminosyra . En enda mutation i DNA från homeotiska gener kan leda till slående förändringar i en organism (se homeotiska mutationer ).

Homeodomän

Proteinprodukterna från homeotiska gener tillhör en speciell klass av proteiner som kallas transkriptionsfaktorer som binder till DNA och reglerar gentranskription . Homeodomänsekvensen består av 60 aminosyrarester. I Drosophila aktiverar proteinprodukten från den homeotiska genen Antennapedia gener som bestämmer strukturen för det andra bröstsegmentet som innehåller ben och vingar och undertrycker gener som är involverade i bildandet av ögon och antenner. [7] Gener som regleras av homeobox-innehållande proteiner kallas realisergener, och de är proteinprodukter från segmentpolaritetsgener som kodar för vävnads- och organspecifika proteiner.

Enhancer-sekvenser som binder till homeodomänen

DNA-sekvensen som homeodomänen binder till innehåller nukleotidsekvensen TAATi 5'- änden och Tär viktigast för bindning. [8] Denna nukleotidsekvens är bevarad i nästan alla homeodomänbindningsställen . Eftersom många homeodomän-innehållande proteiner har samma igenkänningsställen, används basparen som följer denna initiatorsekvens för att skilja mellan dessa proteiner. Till exempel känns nukleotidsekvensen sedan TAATigen av den nionde aminosyran i proteinet som innehåller homeodomänen. Proteinet som kodas av genen för maternal effekt, Bicoid , innehåller en lysinrest i denna position som tjänar till att känna igen och binda guanin . I Antennapedia- proteinet innehåller denna position glutamin , som känner igen och binder till adenin . Om lysinresten i Bicoid-proteinet ersätts med glutamin, kommer det förändrade proteinet att känna igen Antennapedia-specifika förstärkarställen. [9] [10]

Hox-gener

Hox-gener är lokaliserade på en eller flera (upp till fyra) kromosomer, vanligtvis i nära grupper (kluster), inom vilka en mer eller mindre strikt ordning bevaras: "huvud"-generna är framför, "svans"-generna är bakom . I mer primitiva representanter för flercelliga organismer, såsom ctenophores (Ctenophora) och coelenterates (Cnidaria), finns det bara fyra av dessa embryonala regulatoriska gener, hos däggdjur finns det redan 48.

Hox-genfamiljen är indelad i 14 klasser. Dessa 14 klasser tros ha uppstått genom duplicering av en eller några av de ursprungliga generna, replikerna muterar sedan och får nya funktioner. Primitiva coelenterates och ctenophores har bara 4 klasser av Hox-gener, den förmodade gemensamma förfadern till bilateralt symmetriska djur borde ha haft minst 8 av dem, och alla 14 klasserna finns i däggdjur. Funktionsprincipen för dessa gener är densamma. Deras produkter är transkriptionsfaktorer vars funktion är att "slå på" eller "stänga av" andra gener. Som ett resultat av arbetet med Hox-faktorer lanseras en kaskad av reaktioner, vilket leder till uppkomsten av de nödvändiga proteinerna i cellen.

Under det senaste decenniet har DNA- sekvenserna av Hox-gener dechiffrerats i många grupper av djur: annelider, plattmaskar, tagghudingar, nematoder, leddjur, manteldjur, lansetter, för att inte tala om däggdjur.

Förordning

Homeotiska gener reglerar implementeringsgeners arbete och regleras i sin tur av gap- och parregelgenerna , som är under kontroll av morfogenproteiner från ett antal gener för modern effekt . Detta resulterar i en kaskad av transkriptionsfaktorer : gener för maternal effekt inkluderar gap- och parregelgenerna; gap- och parregelgenerna inkluderar homeotiska gener; slutligen inkluderar homeotiska gener realiserande gener som leder till segmentering och differentiering av embryot.

Sådan reglering utförs av koncentrationsgradienter av morfogenproteiner. En hög koncentration av ett av moderns proteiner och en låg koncentration av andra inkluderar en viss uppsättning gap- och parregelgener. Hos flugor aktiveras det andra uttrycksbandet av den jämna överhoppade embryogenen av moderns proteiner Bicoid och Hunchback och undertrycks av gap Giant och Kruppel-proteiner [11] .

MikroRNA - molekyler i hox-kluster hämmar de främre homeotiska generna starkare, förmodligen för mer exakt reglering av deras uttryck. [12]

Icke -kodande RNA (ncRNA) är brett distribuerade i homeotiska genkluster . En av de icke-kodande RNA-generna hos människor, HOTAIR, minskar nivån av transkription av homeotiska gener (den transkriberas från HOXC-klustret och hämmar sena HOXD-gener) genom att binda till Polycomb-gruppproteinerna (PRC2). [13]

Kromatinstrukturen är väsentlig för transkription , men det krävs också en looping ut från kromosomområdena där klustret finns. [14] Kvantitativ PCR visade några mönster av kolinearitet: systemet är i jämvikt och det totala antalet transkript beror på antalet gener som presenteras i en linjär sekvens. [femton]

Homeotiska mutationer

Fel i uttrycket av homeotiska gener leder till stora förändringar i individens morfologi. Homeotiska mutationer beskrevs först 1894 av William Batson , som beskrev utseendet på ståndare i stället för kronblad.

I slutet av 1940-talet, i en Drosophila melanogaster -modellväxt , studerade Edward Lewis homeotiska mutationer som ledde till bildandet av bisarra organ. Mutationer i gener som är involverade i lemutveckling kan leda till missbildning eller till och med död. Till exempel leder mutationer i Antennapedia-genen till att det bildas lemmar på flugans huvud i stället för antennerna. [16]

Ett annat välkänt exempel i Drosophila är en mutation i den homeotiska genen Ultrabithorax , som bestämmer utvecklingen av det tredje bröstkorgssegmentet. Vanligtvis har detta segment ett par ben och ett par grimmor (förminskade vingar). Hos mutanter som inte har ett funktionellt Ultrabithorax-protein utvecklar det tredje segmentet samma strukturer som det andra bröstsegmentet, som bär ett par lemmar och ett par fullt utvecklade vingar. Sådana mutanter finns ibland i vilda populationer av fruktflugor, och studiet av sådana mutanter har lett till upptäckten av homeotiska djurgener.

Kolinearitet

Homeotiska gener i kromosomerna hos många djur ligger mycket nära varandra och bildar kluster. Samtidigt observeras kollinearitet i Drosophila - sekvensen av gener på kromosomen motsvarar sekvensen av deras uttryck längs kroppens främre-bakre axel.

Klassificering

Olika namn har getts till homeotiska gener i olika taxa, vilket leder till förvirring i nomenklaturen. När det gäller vissa protostomer ( Ecdysozoa  - leddjur, nematoder) utgör homeotiska gener två kluster Antennapedia och Bithorax , som tillsammans kallas HOM-C (Homeotic Complex). När det gäller deuterostomer (echinodermer, chordater) kallas homeotiska gener Hox- gener och det finns fyra kluster: Hoxa, Hoxb, Hoxc och Hoxd. I protostomer benämns gomesis-gener också ofta som Hox-gener, även om detta inte är helt korrekt.

Filogeni av homeotiska gener

Det finns ett tiotal homeotiska gener i Ecdysozoa . Ryggradsdjur har fyra uppsättningar paraloger av de tio generna Hoxa, Hoxb, Hoxc och Hoxd. Dessa kluster av paraloger bildades som ett resultat av två dupliceringar av ryggradsdjursgenom. [17]

Båda duplikationerna inträffade efter att förfäderna till lansletter och manteldjur avvikit från en gemensam stam med ryggradsdjur, och innan de evolutionära linjerna för däggdjur och broskfiskar separerade. Troligtvis ägde den första dupliceringen rum strax före separationen av de käklösa och gnathostome linjerna, och den andra strax efter (separeringen av dessa linjer inträffade troligen för cirka 530 miljoner år sedan). [arton]

Även om homeotiska gener för ryggradsdjur är kopior av Ecdysozoa- gener , är dessa kopior inte identiska. Som ett resultat av ackumuleringen av mutationer över tiden, utför proteiner olika funktioner. Hos olika grupper av ryggradsdjur går vissa gener förlorade eller dupliceras.

Hoxa och Hoxd bestämmer extremiteternas utveckling. Hox-uttryck i extremiteten har två stadier - i det första utvecklas själva lemmen, i det senare skedet arbetar Hoxd 8 - 13 och fingrar bildas, medan en separat reglerande region är involverad i 5'-änden av Hoxd 13 genen, som inte finns i Teleostei . [19]

Historik

Betydelsen av mutationer i homeotiska gener för utvecklingen av teorin om ärftlighet påpekades först av författaren till denna term, William Batson , 1894. På 1920 -talet studerade en student till S. S. Chetverikov , E. I. Balkashina , homeotiska mutationer (inklusive på Drosophila ) . Balkashina beskrev mutationen av aristopedia i Drosophila och etablerade parallelliteten mellan fenomenen homeos under regenerering och mutation av homeotiska gener, och kartlade också de tre homeotiska generna från Drosophila som var kända vid den tiden.

Edward Lewis började 1948 en systematisk studie av de homeotiska gener som styr utvecklingen av imaginala larvskivor till vuxna organ . Lewis upptäckte kolinearitet i rymden mellan ordningen på generna i bithoraxkomplexet i kromosomen och ordningen på de imaginära skivorna (segmenten), för vars utveckling de är ansvariga, längs kroppens främre-bakre axel.

Christiane Nüsslein-Volhard och Eric Wieschaus klassificerade 15 gener som bestämmer kroppsstruktur och segmentbildning i Drosophila melanogaster . 1995 fick forskarna Nobelpriset i medicin.

I januari 2013 genomförde spanska forskare ett experiment för att introducera hoxd13 -genen, som är ansvarig för utvecklingen av lemmar för rörelse på land, lånade från möss till zebrafiskgenotypen. Fisken själva har en liknande gen, men den visar inte tillräcklig aktivitet för utveckling av tassar. Som ett resultat av experimentet, istället för fenor, fick fisken rudimenten av lemmar som kunde ge rörelse på marken. [tjugo]

I växter

Uttrycket av gener som reglerar växtutvecklingen styrs av interna och externa faktorer. De inre faktorerna som påverkar deras aktivitet inkluderar hormoner , sackaros och vissa mineralämnen, och de yttre faktorerna är temperatur och ljus. En viktig roll i regleringen av differentierings- och utvecklingsprocesser tillhör gener som innehåller promotorer som är känsliga och specifika för fytohormoner och miljöfaktorer som ljus och temperatur. Promotorerna för många gener vars aktivitet regleras av fytohormoner innehåller transkriptionella element som bestämmer den hormonella specificiteten hos växttillväxtreaktioner.

För närvarande har nyckelgener identifierats som kontrollerar embryogenes , åldrande och fotomorfogenes, reglerar funktionen av apikala, laterala och blommiga meristemer och är ansvariga för bildandet av rötter, löv och kärl. Uttrycket av gener som reglerar utvecklingen av blommor är det bäst studerade. Baserat på för närvarande tillgänglig genetisk information, matematiska apparater och datorprogram blev det möjligt att bygga så kallade genetiska regulatoriska nätverk som gör att vi kan utvärdera hela spektrumet av interaktioner mellan olika regulatoriska gener i processen för celldifferentiering och bildandet av växtorgan. . Enskilda delar av dessa nätverk är kapabla att styra flera processer i olika utvecklingsstadier. Därför kan mutationer som påverkar olika regioner av samma regulatoriska gen skilja sig åt i deras fenotypiska manifestation.

I högre växter har funktionen hos två typer av utvecklingsregulatorgener studerats bäst: homeobox-innehållande och MADS-box- gener .

Homeobox-gener

Homeobox-innehållande gener identifieras genom närvaron av en karakteristisk DNA-sekvens på cirka 180 baspar (homeobox) som kodar för homeodomänen ,  en konserverad region av ett antal transkriptionsfaktorer. Denna nukleotidsekvens är typisk för gener av kaskadtyp av utvecklingsreglering.

Majs KNOTTED1 (KN1) var den första klonade växtgenen som kodade för ett homeodomäninnehållande protein. Den knutna 1-mutationen gör att KN1-genen uttrycks vid fel tidpunkt och på fel plats. I kn1-mutanter uppstår grupper av celler runt redan differentierade bladceller, som fortfarande fortsätter att dela sig. Grupper av delande celler som är belägna längs de vaskulära elementen i hela bladbladet bildar de så kallade noderna (knutarna). Senare upptäcktes en hel familj av KN1-liknande gener, kallad KNOX (KNOTTED1-like HOMEOBOX). Överuttryck av KNOX-familjens gener snedvrider också bladutvecklingen.

Bland växtens KNOX-gener har en stor grupp som är involverad i regleringen av aktiviteten hos skottets apikala meristem och bladutveckling studerats mest noggrant: KN1 och RS1 i majs, KNAT1, KNAT2 och STM i Arabidopsis thaliana , HvKNOX3 i korn, och OSH1 i ris. KN1-, STM-generna och deras funktionella analoger är ansvariga för att upprätthålla meristemcelldelning, vilket undertrycker deras ytterligare differentiering. Dessa gener uttrycks i skottens apikala meristemer såväl som i blommeristemer.

Gener som innehåller MADS-rutan

Termen "MADS-box" härrör från initialerna för fyra gener: jäst MCM1, Arabidopsis AG, snapdragon DEF och däggdjurs SRF. Generna som innehåller MADS-boxen inkluderar i synnerhet AG ( AGAMOUS ), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) och AP3 (APETALA3), TFL1 (TERMINAL FLOW), PI (PISTILLATA). Gener av denna typ reglerar florigenes och bestämmer ödet för celler i ägglossningen; deras uttryck återfanns i embryot, rötter och blad. MADS-boxgenerna inkluderar majoriteten av växtens homeotiska gener, i synnerhet gener för identiteten hos blomorgan. Det antas att uppkomsten av nya organ i processen med progressiv utveckling av växter, till exempel ägglossningar och frön, åtföljdes av uppkomsten av nya underfamiljer av MADS-boxgener.

Transkriptionsfaktorer

Direkt kontroll över utvecklingen av växtorgan och vävnader utförs av transkriptionsfaktorer (TF), proteiner som efter att ha flyttat till cellkärnan reglerar transkriptionen genom att specifikt interagera med DNA eller med andra proteiner som kan bilda ett protein-DNA-komplex.

Se även

Litteratur

  • Lutova L. A., Provorov N. A., Tikhodeev O. N., Tikhonovich I. A., Khodzhayova L. T., Shishkova S. O. Genetics of plant development / Ed. Motsvarande ledamot RAS S. G. Inge-Vechtomova. - St. Petersburg: Nauka, 2000. - 539 s.
  • Korochkin L. I., Yankovsky N. K., Gvozdev V. A., Gaponenko A. K., Limborskaya S. A. Genom, kloning, mänskligt ursprung / Ed. Motsvarande ledamot RAS L. I. Korochkina. - Fryazino: Ålder 2, 2003. - 224 sid.
  • Medvedev S. S., Sharova E. I. Genetisk och epigenetisk reglering av utvecklingen av växtorganismer (recension) / Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2010-3).
  • Lewin. gener VII. — 7:a. - New York: Oxford University Press, 2002. - S. 960. - 990 sid. — ISBN 0-19-879276-X .

Anteckningar

  1. ↑ Wang, X. och Müller, WE (2016). Molekylär morfogenes: genuttrycksmönster hos djur. Recensioner inom cellbiologi och molekylär medicin. 2:1–41 doi : 10.1002/3527600906.mcb.200500041.pub2
  2. ↑ shatal.pmd Arkiverad 10 januari 2005 på Wayback Machine
  3. ↑ Ferrier DE , Dewar K. , Cook A. , Chang JL , Hill-Force A. , Amemiya C. The chordate ParaHox cluster.  (engelska)  // Aktuell biologi: CB. - 2005. - Vol. 15, nr. 20 . - s. 820-822. - doi : 10.1016/j.cub.2005.10.014 . — PMID 16243016 .
  4. ↑ Burglin, T. (2005). Hemboxsidan. http://www.cbt.ki.se/groups/tbu/homeo.html#Structure%20of%20the%20homeodomain Arkiverad 11 september 2011 på Wayback Machine
  5. ↑ Lutz, B.; H.C. Lu, G. Eichele, D. Miller och T.C. Kaufman. Räddning av Drosophila labial nollmutant av kycklingortologen Hoxb-1 visar att Hox-geners funktion är fylogenetiskt bevarad  // Genes & Development  : journal  . - 1996. - Vol. 10 . - S. 176-184 . — PMID 8566751 .
  6. ↑ Ayala, FJ; A. Rzhetskydagger.  Ursprunget till den metazoaniska filan : Molekylära klockor bekräftar paleontologiska uppskattningar  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1998. - 20 januari ( vol. 95 , nr 2 ). - s. 606-611 . — PMID 9435239 .
  7. ↑ Cesares och Mann 1998; Plaza et al 2001
  8. ↑ Scott F. Gilbert. Utvecklingsbiologi . — Åttonde upplagan. - Sinauer Associates Inc., 2006. - 785 sid. — ISBN 087893250X .
  9. ↑ Hanes SD , Brent R. DNA-specificiteten för det bicoida aktivatorproteinet bestäms av hemodomänigenkänningshelixrest 9.  //  Cell. - 1989. - Vol. 57, nr. 7 . - P. 1275-1283. — PMID 2500253 .
  10. ↑ Hanes SD , Brent R. En genetisk modell för interaktion mellan hemodomänigenkänningshelixen med DNA.  (engelska)  // Science (New York, NY). - 1991. - Vol. 251, nr. 4992 . - S. 426-430. — PMID 1671176 .
  11. ↑ Small S. , Blair A. , ​​Levine M. Reglering av jämn överhoppad rand 2 i Drosophila-embryot.  (engelska)  // The EMBO journal. - 1992. - Vol. 11, nr. 11 . - P. 4047-4057. — PMID 1327756 .
  12. ↑ Lempradl A. , Ringrose L. Hur reglerar icke-kodande transkription Hox-gener?  (engelska)  // BioEssays: nyheter och recensioner inom molekylär, cellulär och utvecklingsbiologi. - 2008. - Vol. 30, nej. 2 . - S. 110-121. - doi : 10.1002/bies.20704 . — PMID 18200528 .
  13. ↑ Rinn JL , Kertesz M. , Wang JK , Squazzo SL , Xu X. , Brugmann SA , Goodnough LH , Helms JA , Farnham PJ , Segal E. , Chang HY Funktionell avgränsning av aktiva och tysta kromatindomäner i icke humana HOX loci RNA.  (engelska)  // Cell. - 2007. - Vol. 129, nr. 7 . - P. 1311-1323. - doi : 10.1016/j.cell.2007.05.022 . — PMID 17604720 .
  14. ↑ Fraser P, Bickmore W. Nukleär organisation av genomet och potentialen för genreglering   // Nature . - 2007. - Vol. 447 , nr. 7143 . - S. 413-7 . — PMID 17522674 .
  15. ↑ Montavon T. , Le Garrec JF , Kerszberg M. , Duboule D. Modellering av Hox-genreglering i siffror: omvänd kollinearitet och tummens molekylära ursprung.  (engelska)  // Gener och utveckling. - 2008. - Vol. 22, nr. 3 . - s. 346-359. - doi : 10.1101/gad.1631708 . — PMID 18245448 .
  16. ↑ Pierce, Benjamin A. Genetik: En konceptuell strategi. 2:a upplagan . — W. H. Freeman; 2:a upplagan, 2004. - 832 sid. — ISBN 071678881.
  17. ↑ Dehal P. , Boore JL Två omgångar av helgenomduplicering i det förfäders ryggradsdjur.  (engelska)  // Public Library of Science Biology. - 2005. - Vol. 3, nr. 10 . - P. e314. - doi : 10.1371/journal.pbio.0030314 . — PMID 16128622 .
  18. ↑ Elements Science News: Lancelet Genome hjälper till att låsa upp hemligheten bakom ryggradsdjurens evolutionära framgång . Hämtad 10 maj 2009. Arkiverad från originalet 23 juni 2013.
  19. ↑ Deschamps J. Ancestral och nyligen rekryterad global kontroll av Hox-gener under utveckling.  (engelska)  // Aktuell åsikt inom genetik & utveckling. - 2007. - Vol. 17, nr. 5 . - s. 422-427. - doi : 10.1016/j.gde.2007.07.008 . — PMID 17870464 .
  20. ↑ Arkiverad kopia (länk ej tillgänglig) . Datum för åtkomst: 29 januari 2013. Arkiverad från originalet 25 januari 2013.   Förvandlingen av fenor till tassar för att gå på land har nu demonstrerats i laboratoriet: spanska forskare har odlat rudimenten av lemmar hos zebrafisk.
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk