Гены гомеотических селекторов придают идентичность сегментам у дрозофилы . Они кодируют гомеодоменные белки, которые взаимодействуют с Hox и другими гомеотическими генами, чтобы инициировать регуляцию сегмент-специфичных генов. Белки гомеодомена - это факторы транскрипции, которые разделяют ДНК-связывающий домен, называемый гомеодоменом. [1] Изменения в экспрессии и функции гомеотических генов ответственны за изменения морфологии конечностей членистоногих, а также осевого скелета позвоночных. [2] [3] Мутации в генах гомеотических селекторов не приводят к устранению сегмента или паттерна, а вместо этого вызывают неправильное развитие сегмента.
История
Гены-гомеотические селекторы были обнаружены в результате генетического анализа дрозофилы более 80 лет назад. Были обнаружены необычные нарушения в организации взрослой мухи, приводящие к неправильному расположению конечностей, например, ногам, развивающимся там, где обычно развиваются усики, или появлению дополнительной пары крыльев там, где должны быть жужжальцы. Это открытие дало возможность понять, как каждый сегмент приобретает свою индивидуальную идентичность. [2]
Первый кластер гомеотических генов, комплекс биторакса, был обнаружен Эдвардом Б. Льюисом в 1978 году. Было обнаружено, что похожие мутации в комплексе сгруппировались вместе, что привело Льюиса к предположению, что эти гомеотические гены возникли благодаря механизму дупликации, который сохранит кластеры с помощью эволюция. [4] Независимые открытия гомеобокса в 1983 году лабораторией Вальтера Геринга в Университете Базеля, Швейцария, и лабораторией Томаса Кауфмана в Университете Индианы подтвердили теорию Льюиса. [5]
Коллинеарность
Коллинеарность обнаруживается между порядком генов на хромосоме и порядком, в котором гены экспрессируются вдоль переднезадней оси эмбриона. Например, ген lab находится в 3'-положении в комплексе Antennapedia и экспрессируется в самой передней части головы эмбриона. В то же время ген Abd-B расположен в 5'-положении комплекса Bithorax и экспрессируется в самой задней части эмбриона. Это говорит о том, что гены могут быть активированы посредством постепенного процесса, в котором действие постепенно распространяется по хромосоме. Хотя значение колинеарности до сих пор не изучено, считается, что она играет важную роль из-за ее сохранения у членистоногих и позвоночных, включая человека. [6]
Индивидуальность парасегментов
Гомеотические селекторные гены кодируют регуляторные ДНК-связывающие белки, которые все связаны посредством высококонсервативных ДНК-связывающих последовательностей, называемых гомеобоксом (от которого происходит название «Hox Complex»). Хотя каждый из всех ДНК-связывающих комплексов является консервативным, каждый пара-сегмент по-прежнему имеет индивидуальную идентичность. Белки не связываются напрямую с ДНК, скорее, они взаимодействуют с другими регуляторными белками, которые уже связаны с ДНК-связывающими комплексами. Различные взаимодействия определяют, какие участки связывания ДНК распознаются и впоследствии активируются или подавляются. Белки-селекторы гомеоза комбинируются в различных комбинациях с регуляторными белками, чтобы придать каждому парасегменту его идентичность. [2]
Комплекс Hox переносит позиционную информацию
Определенные сигналы устанавливают пространственный паттерн экспрессии комплекса Hox на ранней стадии развития. Комплекс Hox действует как штамп, давая ячейкам в каждом сегменте долгосрочное позиционное значение. Ячейка памяти заданного позиционного значения зависит от двух входов, первый из которых способность многих белков Нох , чтобы autoactivate свою собственную транскрипцию, а второй , полученный из двух больших групп транскрипционных регуляторов: Polycomb группа и группа Trithorax . Дефект любого из этих регуляторов приводит к паттерну, который изначально правильный, но не сохраняется на более поздних эмбриональных стадиях. Регуляторы Polycomb и Trithorax действуют противоположным образом. Группа Trithorax поддерживает транскрипцию Hox после того, как транскрипция уже активирована. Группа Polycomb образует стабильные комплексы, которые связываются с хроматином Hox-генов и поддерживают его в подавленном состоянии в тех участках, где Hox-гены неактивны. [2]
Эволюционное сохранение
Гомологи гена гомеотического селектора обнаружены у множества видов, от книдарий до нематод и млекопитающих. Эти гены сгруппированы аналогично комплексу Hox, обнаруженному у насекомых. У мыши четыре комплекса: HoxA, HoxB, HoxC и HoxD, каждый на разных хромосомах. Отдельные гены в каждом комплексе соответствуют определенным членам генома дрозофилы. Hox-гены млекопитающих могут функционировать у Drosophila в качестве частичной замены Hox-генов Drosophila. Каждый из четырех Hox-комплексов млекопитающих имеет грубый аналог в комплексе насекомых.
Теория, лежащая в основе этой эволюционной консервации, проистекает из веры в то, что у некоторых общих предков червей, мух и позвоночных был единственный первичный гомеотический селекторный ген, наследственный комплекс Hox, который прошел через повторяющиеся дупликации, чтобы сформировать серию тандемных генов. У Drosophila этот предковый комплекс Hox разделился на два отдельных комплекса: Antennapedia и Bithorax. У млекопитающих весь комплекс многократно дублировался, давая четыре комплекса Hox. Эта теория имеет некоторые недостатки, в том числе то, что некоторые отдельные гены были продублированы, а другие потеряны. [6]
Разнообразие членистоногих
Изменения в экспрессии гомеотических генов вносят свой вклад в разнообразие. Drosophila геном имеет свои восемь гомеотических гены в двух комплексах. Беспозвоночные геном содержат 8-10 является гомеотическими генами только в одном комплексе, в то время как позвоночный дублировал сложнее Нохли и имеет четыре кластера. Изменения в экспрессии и функциональности отдельных генов приводят к различной морфологии, наблюдаемой у членистоногих . Разнообразие пяти групп членистоногих является результатом их модульной архитектуры. Членистоногие состоят из серии повторяющихся сегментов тела, которые можно изменять неограниченным количеством способов. В то время как некоторые сегменты могут нести антенну, другие могут быть модифицированы для установки крыльев. [6] Ракообразные имеют разную морфологию внутри группы из-за разных паттернов экспрессии Ubx у равноногих и брахиопод . Подобно брахиопод, у равноногих есть плавательные конечности на втором-восьмом грудных сегментах, однако конечности на первом грудном сегменте меньше других и используются в качестве конечностей для кормления. Различный паттерн экспрессии Ubx коррелирует с этими модификациями, возможно, в результате приобретенной мутации, которая позволяет энхансерам Ubx больше не опосредовать экспрессию в первом грудном сегменте. [6]
Выражение SRC
Брахиоподы : экспрессия Src ограничена областью головы у плеченогих и помогает в развитии кормовых придатков. Ubx экспрессируется в грудной клетке, где контролирует развитие плавательных конечностей. [2]
Isopods : экспрессия Src обнаруживается как в голове, так и в первом грудном сегменте (T1) у равноногих, и в результате плавательная конечность в T1 трансформируется в питающий придаток (maxillipped). Апостериорное расширение Src возможно из-за потери экспрессии Ubx в T1, потому что Ubx обычно репрессирует экспрессию Src. [2]
Выражение DLL
У каждого насекомого шесть ног, по одной паре на каждом из трех грудных сегментов, в то время как у других членистоногих количество конечностей разное. Это изменение морфологии связано с функциональными изменениями в регуляторном белке Ubx. Ubx и abd-A подавляют экспрессию Distal -less, Dll, гена, ответственного за развитие конечностей. У эмбриона дрозофилы Ubx экспрессируется на высоком уровне в заднегруди и передних сегментах брюшной полости; abd-A экспрессируется в задних брюшных сегментах. В сочетании эти два гена не позволяют Dll функционировать в первых семи сегментах брюшной полости. Однако Ubx экспрессируется в заднегруди и не мешает экспрессии Dll, потому что Dll активируется до экспрессии Ubx. [6]
У ракообразных высокий уровень Ubx и DII присутствует во всех 11 грудных сегментах. Экспрессия DII способствует развитию плавательных конечностей. Белок Ubx не подавляет DII у ракообразных, потому что Ubx функционально отличается у насекомых и ракообразных. [6]
Рекомендации
- ^ Mannervik M (апрель 1999). «Гены-мишени гомеодоменных белков». BioEssays . 21 (4): 267–70. DOI : 10.1002 / (SICI) 1521-1878 (199904) 21: 4 <267 :: AID-BIES1> 3.0.CO; 2-C . PMID 10377888 .
- ^ а б в г д е Альберс Б., Джонсон А., Льюис Дж, Робертс К., Уолтер П. (2002). Молекулярная биология клетки . Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-3218-3. NBK21054.
- ^ «Гомеотический селекторный ген - определение с сайта Biology-Online.org» . 2009-01-08 . Проверено 14 декабря 2009 .
- ^ Маэда РК, Карч Ф (2009). Биторакс-комплекс дрозофилы представляет собой исключительный Hox-кластер . Curr. Вершина. Dev. Биол . Актуальные темы биологии развития. 88 . С. 1–33. DOI : 10.1016 / S0070-2153 (09) 88001-0 . ISBN 9780123745293. PMID 19651300 .
- ^ Taubes, GA. Открытие Homeobox. Медицинский институт Говарда Хьюза. 2012 г.
- ^ а б в г д е Уотсон, Джеймс Дьюи; Бейкер, Таня А .; Белл, Стивен П .; Ганн, Александр; Лосик, Ричард; Левин, Майкл К. (2008). Молекулярная биология гена (6-е изд.). Pearson Education. ISBN 978-0-321-50781-5.