Main results‎ > ‎Hox-гены‎ > ‎

Вики

http://ru.wikipedia.org/wiki/Гомеозисные_гены

Гомеозисные гены

[править]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Файл:Bithorax.gif
Гомеозисная мутация привела к появлению второй пары крыльев на месте гальтер

Гомеозисные гены — гены, мутации которых приводят к превращению одних частей организма в другие.[1] Гомеозисные гены контролируют работу других генов и определяют превращение внешне неразличимых участков зародыша или определенного органа (ткани, участка тела). В частности, эти гены контролируют превращениесегментов многоклеточных животных в раннем эмбриональном развитии. У насекомых гомеозисные гены играют ключевую роль в определении особенностей строенияэмбриональных сегментов и структур на них (ноги, антенны, крылья, глаза).

Гомеозисные гены животных относятся к семейству Hox-генов (см. раздел "Классификация" данной статьи). Однако, как сейчас установлено, не все гены этого семейства являются гомеозисными. Так, у дрозофилы к Hox-генам комплексаAntennapedia относятся гены zerknullt, zerknullt2, bicoid и fushi tarazu, которые не являются гомеозисными.[2]

У растений наиболее хорошо изученные гомеозисные гены относятся к семейству MADs-генов, которые контролируют развитие органов цветка.

Содержание

 [убрать]

[править]Гомеобокс

Основная статьяГомеобокс

Гомеозисные гены содержат гомеобокс — последовательность из 180 пар нуклеотидов ДНК, образующую в кодируемом белке гомеодомен.

Гомеодомен впервые был обнаружен в составе генов, контролирующих развитие, и, в частности, в составе гомеозисных генов, у дрозофилы. Однако, многие гены, содержащие гомеобокс, не являются гомеозисными. Таким образом, гомеобокс — это особая последовательность нуклеотидов, в то время как гомеозисность — это потенциальная возможность образования гомеозисной мутации.[3]

[править]Консервативность последовательности нуклеотидов

Последовательность нуклеотидов в гомеодомене высоко консервативна. Фукнциональная равнозначность гомеозисных белков может быть доказана тем фактом, что развитие мухи с соответствующим гомеозисным геноми курицы протекает нормально.[4] Несмотря на то, что общий предок курицы и мухи существовал около 670 миллионов лет назад,[5]гомеозисные гены куриц аналогичны таким генам у мух до такой степени, что могут заменить друг друга.

Из-за вырожденности генетического кода последовательность остатков аминокислот в составе белков более консервативна, чем последовательность нуклеотидов в ДНК, так как одну аминокислоту могут кодировать разные кодоны. Единственная мутация в ДНК гомеозисных генов может привести к поразительным изменениям организма (см. гомеозисные мутации).

[править]Гомеодомен

Белковые продукты гомеозисных генов принадлежат к особому классу белков — транскрипционным факторам, которые связываются с ДНК и регулируют транскрипцию генов. Последовательность гомеобокса состоит из 60 остатков аминокислот и образует структуру спираль-поворот-спираль, известную как гомеодомен. У дрозофилы белковый продукт гомеозисного гена Antennapedia активирует гены, которые определяют структуру второго грудного сегмента, содержащего ноги и крылья, и репрессирует гены, вовлеченные в формирование глаз и антенн.[6] Гены, которые регулируются белками, содержащими гомеобокс, называют реализаторными генами, и они являются белковыми продуктами генов полярности сегментов, которые кодируют ткане- и органо-специфичные белки.

[править]Энхансерные последовательности, которые связываются гомеодоменом

Последовательность ДНК, с которой связывается гомеодомен, содержит последовательность нуклеотидов TAAT на 5' конце, причем T наиболее важна для связывания.[7] Данная последовательность нуклеотидов консервативна практически во всех сайтах связывания гомеодомена. Так как многие белки, содержащие гомеодомен имеют одинаковые сайты узнавания, пары оснований, следующие за этой инициаторной последовательностью, используются для того, чтобы различать эти белки. Например, последовательность нуклеотидов после TAAT, распознается девятой аминокислотой белка, содержащего гомеодомен. Белок материнского эффекта Bicoid, содержит остаток лизина в данном положении, который служит для узнавания и связывания гуанина. В белке Antennapedia, в данном положении находится глутамин, который распознает и связывается с аденином. Если остаток лизина в белке Bicoid заменить на глутамин, измененный белок будет распознавать Antennapedia-подобные энхансерные сайты.[8][9]

[править]Регуляция Hox-генов

Гомеозисные гены регулируют работу реализаторных генов, и, в свою очередь, регулируются генами gap и pair-rule, которые находятся под контролем мРНК материнского эффекта. В результате этого образуется каскад транскрипционных факторов: гены материнского эффекта включают гены gap и pair-rule genes; гены gap и pair-rule включают гомеозисные гены; наконец, гомеозисные гены включают реализаторные гены, которые приводят к сегментации и дифференцировке зародыша.

Такая регуляция осуществляется градиентами концентрации белков-морфогенов. Высокая концентрация одного из материнских белков и низкая - других, включает определенный набор генов gap и pair-rule genes. У мух, вторая полоска эмбриона активируется материнскими белками Bicoid и Hunchback, и репрессируется белками gap Giant и Kruppel[10].

Молекулы микроРНК в hox-кластерах сильнее ингибируют передние гомеозисные гены вероятно, для более точной регуляции их экспрессии.[11]

Некодирующие РНК (ncRNA) широко распространены в кластерах гомеозисных генов. У человека может существовать до 231 ncRNA. Один из них, HOTAIR, снижает уровень транскрипции гомеозисных генов (транскрибируется с кластера HOXC и ингибирует поздние HOXD гены), связываясь с белками группы Polycomb (PRC2).[12]

Структура хроматина необходима для транскрипции, но также требуется выпетливание хромосомных территорий, на которых располагается кластер.[13] Количественная ПЦР показала некоторые закономерности колинеарности: система находится в равновесии и общее количество транскриптов зависит от количества генов, представленных в линейной последовательности.[14]

[править]Гомеозисные мутации

Ошибки экспрессии гомеозисных генов приводят к крупным изменениям в морфологии индивида. Гомеозисные мутации впервые были описаны в 1894 году Уильямом Бейтсоном, который описал появление тычинок на месте лепестков.

В конце 1940х годов на модельном объекте Drosophila melanogaster Эдвард Льюис изучал гомеозисные мутации, которые приводили к формированию причудливых органов. Мутации в генах, участвующих в развитии конечности, могут приводить к уродствам или даже к смерти. Например, мутации в гене Antennapedia приводят к образованию конечностей на голове мухи на месте антенн.[15]

Другим известным примером у дрозофилы является мутация в гомеозисном гене Ultrabithorax, который определяет развитие третьего грудного сегмента. Обычно на данном сегменте представлена пара ног и пара гальтер (редуцированных крыльев). У мутантных особей, которые не имеют функционального белка Ultrabithorax, на третьем сегменте образуются такие же структуры, как на втором грудном сегменте, который несёт пару конечностей и пару полностью развитых крыльев. Такие мутанты иногда встречаются в диких популяциях дрозофил, и изучение таких мутантов привело к открытию гомеозисных генов.

[править]Колинеарность

Структура кластера

Гомеозисные гены в составе хромосом располагаются очень близко друг к другу, образуя при этом кластеры.

[править]Классификация

В различных таксонах гомеозисным генам были даны разные названия, что привело к путанице в номенклатуре. В случае некоторых первичноротых (Ecdysozoa — членистоногих, нематод) гомеозисные гены составляют два кластера Antennapedia и Bithorax, которые вместе называют HOM-C (Гомеозисный комплекс, Homeotic Complex). В случае вторичноротых (иглокожих, хордовых) гомеозисные гены называют Hox-генами и выделают четыре кластера: Hoxa, Hoxb, Hoxc, и Hoxd. У первичноротых гомезисные гены также часто называют Hox-генами, хотя это и не вполне верно.

[править]Филогения гомеозисных генов

У Ecdysozoa существует около десяти гомеозисных генов. Позвоночные имеют четыре набора паралогов этих десяти генов Hoxa, Hoxb, Hoxc, и Hoxd. Эти кластеры паралогов образовались в результате двух дупликаций геномов позвоночных.[16]

Обе дупликации произошли после того, как от общего ствола с позвоночными отделились предки ланцетников и оболочников, и до того, как разделились эволюционные линии млекопитающих и хрящевых рыб. Вероятнее всего, первая дупликация произошли незадолго до разделения линий бесчелюстных и челюстноротых, а второе - вскоре после этого (разделение этих линий, вероятно, произошло около 530 млн лет назад).[17]

(См. илл. по ссылке. Стрелки представляют собой гомеозисные гены в составе хромосомы. Нижняя линия представляет собой десять гомеозисных генов, представленных у большинства беспозвоночных и у предков позвоночных. Четыре линии сверху представляют четыре дуплицированных кластера этих десяти генов у позвоночных. Слева направо (в передне-заднем направлении) это гены labial, proboscipedia, zerknullt, Deformed, Sex combs reduced, fushi tarazu,AntennapediaUltrabithoraxAbdominal-A and Abdominal B. Стрелки одного цвета представляют собой гены, которые произошли от одного предкового гена.)

Хотя гомеозисные гены позвоночных являются копиями генов Ecdysozoa, эти копии не идентичны. В результате накопления мутаций в течение длительного промежутка времени, белки выполняют различные функции. У разных групп позвоночных некоторые гены утрачены или дуплицированы.

Hoxa и Hoxd определяют развитие конечности. Экспрессия Hox в конечности имеет две стадии — на первой развивается собственно конечность, на более поздней работают Hoxd 8 — 13 и образуются пальцы, при этом задействована отдельная регуляторная область на 5’ конце гена Hoxd 13, который не встречается у Teleostei.[18]

[править]История

На важное значение мутаций в гомеозисных генах для развития теории наследственности впервые указал автор этого термина Уильям Бэтсон в 1894 году. В 1920-е годы изучением гомеозисных мутаций (в том числе на дрозофиле) занималась ученица С.С. Четверикова Е. И. Балкашина. Балкашина описала мутацию aristopedia у дрозофилы и установила параллелизм явлений гомеозиса при регенерации и при мутировании гомеозисных генов, а также картировала три известных в то время гомеозисных гена дрозофилы.

Эдвард Льюис в 1948 году начал систематическое изучение гомеозисных генов, управляющих развитием имагинальных дисков личинки в органы имаго. Льюис обнаружил колинеарность в пространстве между порядком расположения генов комплекса bithorax в хромосоме и порядком расположения имагинальных дисков (сегментов), за развитие которых они отвечают, вдоль передне-задней оси тела.

Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус классифицировали 15 генов, определяющих строение тела и образование сегментов у Drosophila melanogaster. Исследователи получили Нобелевскую премию по медицине в 1995 году.

Подробное рассмотрение темы: на сайте Нобелевского комитета

[править]См. также

[править]Примечания

↑ Показывать компактно

  1.  # Lewin genes VII. — 7th. — New York: Oxford University Press, 2002. — С. 960. — 990 с. — ISBN 0-19-879276-X
  2.  http://www.zin.ru/societies/res/cholodkov/2003-56-2.pdf
  3.  Burglin, T.(2005). The Homeobox Page. http://www.cbt.ki.se/groups/tbu/homeo.html#Structure%20of%20the%20homeodomain
  4.  Lutz, B.; H.C. Lu, G. Eichele, D. Miller, and T.C. Kaufman (1996). "Rescue of Drosophila labial null mutant by the chicken ortholog Hoxb-1 demonstrates that the function of Hox genes is phylogenetically conserved". Genes & Development 10: 176-184.
  5.  Ayala, F.J.; A. Rzhetskydagger (January 1998). "Origin of the metazoan phyla: Molecular clocks confirm paleontological estimates". Proc Natl Acad Sci 95 (2): 606-11.
  6.  Cesares and Mann 1998; Plaza et al 2001
  7.  Scott F. Gilbert Developmental Biology. — Eighth Edition. — Sinauer Associates Inc., 2006. — 785 с. — ISBN 087893250X
  8.  Hanes, SD; Brent, R. DNA specificity of the bicoid activator protein is determined by homeodomain recognition helix residue 9. Cell. 1989 Jun 30;57(7):1275–1283.
  9.  Hanes, SD; Brent, R. A genetic model for interaction of the homeodomain recognition helix with DNA. Science. 1991 Jan 25;251(4992):426–430.
  10.  Small S, 1992. Regulation of even-skipped stripe 2 in the Drosophila embryo. EMBO J. 1992 Nov;11(11):4047-57
  11.  Lempradl A, Ringrose L. 2008 How does noncoding transcription regulate Hox genes? Bioessays. 30(2):110-21.
  12.  Rinn JL et al, 2007. Functional demarcation of active and silent chromatin domains in human HOX loci by noncoding RNAs. Cell. 129(7):1311-23
  13.  Fraser P, Bickmore W. Nuclear organization of the genome and the potential for gene regulation // Nature. — 2007. — Т. 447. — № 7143. — С. 413-7.
  14.  Montavon et al. 2008. Modeling Hox gene regulation in digits: reverse collinearity and the molecular origin of thumbness. Genes Dev. 22(3):346-59
  15.  Pierce, Benjamin A. Genetics: A Conceptual approach. 2nd edition. — W. H. Freeman; 2nd edition, 2004. — 832 с. — ISBN 071678881
  16.  Dehal P, Boore JL (2005) Two Rounds of Whole Genome Duplication in the Ancestral Vertebrate. PLoS Biol 3(10): e314http://biology.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371/journal.pbio.0030314
  17.  http://elementy.ru/news/430759
  18.  Deschamps J. 2007. Ancestral and recently recruited global control of the Hox genes in development. Curr Opin Genet Dev. 17(5):422-7


СахаринЭто незавершённая статья по молекулярной биологии.Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.
Comments