Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Пленный аксолотль ( Ambystoma mexicanum )
Часть серии по
Генетика
Гибридогенез в водных лягушках gametes.svg
 
Ключевые компоненты
История и темы
Исследовать
Персонализированная медицина
Персонализированная медицина

Гены Hox играют огромную роль у некоторых земноводных и рептилий в их способности восстанавливать потерянные конечности, особенно гены HoxA и HoxD. [1]

Если процессы, участвующие в формировании новой ткани, можно будет реконструировать в организме человека, можно будет вылечить травмы спинного или головного мозга, восстановить поврежденные органы и уменьшить рубцевание и фиброз после операции. [2] [3] Несмотря на значительную сохранность Hox-генов в процессе эволюции, млекопитающие и люди не могут регенерировать ни одну из своих конечностей. Это поднимает вопрос, почему люди, которые также обладают аналогом этих генов, не могут заново отрастать и регенерировать конечности. Помимо отсутствия специфического фактора роста , исследования показали, что такие небольшие различия, как различия пар оснований между аналогами Hox земноводных и человека, играют решающую роль в неспособности человека воспроизводить конечности.[4] Недифференцированные стволовые клетки и способность иметь полярность в тканях жизненно важны для этого процесса.

Обзор [ править ]

Регенерация определяется уровнем ампутации в области конечности, а не по отношению к организму в целом. A , дорсальный, и B , вентральный, виды тритона, у которого ноги были ампутированы выше бедра, а голени были пересажены на их место, а затем ампутированы. C , рентгенограмма, показывающая, что регенерировались только предплюсна и стопа: т.е. структуры, расположенные дистальнее трансплантата.

Некоторые амфибии и рептилии обладают способностью регенерировать конечности, глаза, спинной мозг, сердце, кишечник, а также верхнюю и нижнюю челюсти. Японские восточноазиатские тритоны могут регенерировать ИТС хрусталика глаза 18 раз в течение 16 лет и сохраняют свои структурные и функциональные свойства. [5] В - клетки в месте повреждения имеет возможность оон дифференцируется , быстро размножается, и дифференцируется снова , чтобы создать новую конечность или орган.

Hox-гены - это группа родственных генов, которые контролируют план тела эмбриона по оси голова-хвост. Они отвечают за дифференциацию сегментов тела и выражают расположение многочисленных компонентов тела во время начального эмбрионального развития. [6] В первую очередь, эти наборы генов используются во время разработки планов тела путем кодирования факторов транскрипции, которые запускают производство структур, специфичных для отдельных сегментов тела. Кроме того, у большинства животных эти гены расположены вдоль хромосомы, аналогично порядку, в котором они экспрессируются вдоль передне-задней оси. [7]

Варианты Hox-генов встречаются почти во всех типах, за исключением губок, которые используют разные типы генов развития. [8] Гомология этих генов представляет важный интерес для ученых, поскольку они могут дать больше ответов на вопросы эволюции многих видов . Фактически, эти гены демонстрируют такую ​​высокую степень гомологии, что вариант гена Hox человека - HOXB4 - может имитировать функцию своего гомолога у плодовой мушки ( Drosophila ). [9] Исследования показывают, что регуляция и другие гены-мишени у разных видов на самом деле являются причиной столь больших различий в фенотипических особенностях.разница между видами. [10]

Hox-гены содержат последовательность ДНК , известную как гомеобокс, которая участвует в регуляции паттернов анатомического развития. Они содержат определенную последовательность ДНК с целью предоставления инструкций по созданию цепочки из 60 строительных блоков белка - аминокислот, которые называются гомеодоменами . [11] Большинство белков, содержащих гомеодомены, функционируют как факторы транскрипции и в основном связывают и регулируют активность различных генов. Гомеодомен - это сегмент белка, который связывается с точными регуляторными областями генов-мишеней. [6] Гены внутри гомеобоксаСемья вовлекается в самые разные важные дела во время роста. [11] Эти действия включают в себя направление развития конечностей и органов вдоль передне-задней оси и регулирование процесса созревания клеток для выполнения определенных функций, процесса, известного как клеточная дифференцировка . Определенные гены гомеобокса могут действовать как супрессоры опухолей , что означает, что они помогают предотвратить слишком быстрый или неконтролируемый рост и деление клеток. [6]

Из-за того, что гены гомеобокса выполняют так много важных функций, мутации в этих генах ответственны за широкий спектр нарушений развития. [11] Изменения в некоторых генах гомеобокса часто приводят к глазным заболеваниям, аномальному развитию головы, лица и зубов. Кроме того, повышенная или пониженная активность определенных генов гомеобокса была связана с несколькими формами рака в более позднем возрасте. [6]

Развитие конечностей [ править ]

По существу, гены Hox вносят вклад в спецификацию трех основных компонентов развития конечностей , включая стилопод, зевгопод и автопод. [12] Определенные мутации в генах Hox могут потенциально приводить к проксимальным и / или дистальным потерям наряду с различными аномалиями. Были созданы три разные модели для описания паттернов этих регионов. [12] Зона поляризующей активности (ЗП) в почках конечности имеет узор-организацию деятельности за счет использования морфогена градиента белка , называемого Звуковым ежа (Тсс). [12]Sonic hedgehog включается в задней области через раннюю экспрессию генов HoxD, наряду с экспрессией Hoxb8. Shh поддерживается в задней части через петлю обратной связи между ZPA и AER. Shh расщепляет комплекс репрессора транскрипции Ci / Gli3, чтобы преобразовать фактор транскрипции Gli3 в активатор, который активирует транскрипцию генов HoxD вдоль передней / задней оси. [12] Очевидно, что разные Hox-гены имеют решающее значение для правильного развития конечностей у разных земноводных.

Исследователи провели исследование, нацеленное на гены Hox-9 - Hox-13 у разных видов лягушек и других земноводных. Подобно древней группе четвероногих с разными типами конечностей, важно отметить, что земноводные необходимы для понимания происхождения и разнообразия конечностей у разных наземных позвоночных. [11] Исследование ПЦР ( полимеразной цепной реакции ) было проведено у двух видов каждого отряда амфибий для идентификации Hox-9 и Hox-13. Было идентифицировано пятнадцать различных задних Hox генов и один ретро-псевдоген, и первые подтверждают существование четырех кластеров Hox в каждом отряде амфибий. [11]Определенные гены, которые, как ожидается, будут встречаться у всех четвероногих, основаны на заднем Hox-дополнении млекопитающих, рыб и латимерии, не были восстановлены. HoxD-12 отсутствует у лягушек и, возможно, других земноводных. По определению, аутоподия - это дистальный сегмент конечности, включающий кисть или стопу. Учитывая функцию Hox-12 в развитии аутоподии, потеря этого гена может быть связана с отсутствием пятого пальца у лягушек и саламандр. [11]

Hox-кластеры [ править ]

Восточной тритон ( Notophthalmus viridescens )

Как упоминалось ранее, гены Hox кодируют факторы транскрипции, которые регулируют процессы эмбрионального и постэмбрионального развития. [13] [14] Экспрессия Hox-генов частично регулируется плотным пространственным расположением консервативных кодирующих и некодирующих участков ДНК. [13] Потенциал эволюционных изменений в составе Hox-кластера считается небольшим среди позвоночных. С другой стороны, недавние исследования небольшого числа таксонов, не относящихся к млекопитающим, предполагают большее различие, чем предполагалось изначально. [13] Затем секвенирование поколений значительных геномных фрагментов размером более 100 тыс. Пар оснований восточного тритона.( Notophthalmus viridescens ). Впоследствии было обнаружено, что состав генов кластера Hox был консервативным по сравнению с ортологичными регионами от других позвоночных. Кроме того, было обнаружено, что длина интронов и межгенных областей варьирует. [13] В частности, расстояние между HoxD13 и HoxD11 у тритона больше, чем у ортологичных регионов у позвоночных с расширенными кластерами Hox, и, по прогнозам, оно превышает длину всех кластеров HoxD (HoxD13 – HoxD4) людей, мышей и лягушек. . [13]Многие повторяющиеся последовательности ДНК были распознаны для кластеров Hox тритона, считая обогащение ДНК транспозоноподобных последовательностей, аналогичных некодирующим геномным фрагментам. Исследователи обнаружили, что результаты позволяют предположить, что расширение Hox кластера и накопление транспозонов являются общими чертами четвероногих позвоночных, не относящихся к млекопитающим. [13]

После потери конечности клетки объединяются, образуя скопление, известное как бластема . [15] Это внешне кажется недифференцированным, но клетки, которые возникли в коже, позже развиваются в новую кожу, мышечные клетки - в новые мышцы, а хрящевые клетки - в новый хрящ. Только клетки, расположенные непосредственно под поверхностью кожи, являются плюрипотентными и способны развиваться в клетки любого типа. [16] Области генома Salamander Hox демонстрируют элементы сохранения и разнообразия по сравнению с другими видами позвоночных. В то время как структура и организация генов, кодирующих Hox, консервативны, кластеры Hox тритона демонстрируют вариацию длины интронов и межгенных областей., а область HoxD13–11 превышает длину ортологичных сегментов даже среди видов позвоночных с расширенными скоплениями Hox. [13] Исследователи предположили, что экспансия HoxD13-11 предшествовала увеличению размера базального генома саламандры, которое произошло примерно 191 миллион лет назад, поскольку оно сохранилось во всех трех существующих группах амфибий. [13] Дополнительная проверка поддерживает предположение о том, что кластеры Hox согласны со структурной эволюцией и вариации присутствуют в длинах интронов и межгенных областей, относительно большом количестве повторяющихся последовательностей и неслучайных скоплениях транспозонов ДНК у тритонов и ящериц . [13]Исследователи обнаружили, что неслучайное наращивание ДНК-подобных транспозонов, возможно, может изменить кодирование развития путем генерации мотивов последовательности для контроля транскрипции .

В заключение, доступные данные по нескольким четвероногим, не относящимся к млекопитающим, подтверждают, что структурная гибкость Hox является правилом, а не исключением. [13] Считается, что эта эластичность может учитывать вариации в развитии у таксонов, не относящихся к млекопитающим. Это, конечно, верно как для эмбриогенеза, так и во время перераспределения Hox генов во время постэмбриональных процессов развития, таких как метаморфоз и регенерация. [13]

Поля градиента [ править ]

Еще один феномен, который существует в моделях на животных, - это наличие градиентных полей на раннем этапе развития. В частности, это было показано у водных амфибий: тритона . Эти «градиентные поля», как они известны в биологии развития , обладают способностью формировать соответствующие ткани, которые они предназначены для формирования, когда клетки из других частей эмбриона вводятся или трансплантируются в определенные поля. Первое сообщение об этом было в 1934 году. Первоначально конкретный механизм этого довольно странного явления не был известен, однако было показано, что за этим процессом преобладают гены Hox. В частности, концепция, известная теперь как полярностьбыл реализован как один - но не единственный - из механизмов, которые движут этим развитием.

Исследования, проведенные Оливером и коллегами в 1988 году, показали, что разные концентрации антигена XIHbox 1 присутствовали вдоль передне-задней мезодермы различных развивающихся животных моделей. [17] Один из выводов, что эта различная концентрация экспрессии белка на самом деле вызывает дифференциацию между различными тканями и может быть одной из причин возникновения этих так называемых «градиентных полей». [18] Хотя белковые продукты Hox-генов сильно участвуют в этих областях и дифференцировке у амфибий и рептилий, существуют и другие причинно-следственные факторы. Например, было показано , что ретиноевая кислота и другие факторы роста играют роль в этих градиентных полях. [19]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Mullen, LM; Брайант, SV; Торок, Массачусетс; Blumberg, B .; Гардинер, DM (ноябрь 1996 г.). «Нервная зависимость регенерации: роль передачи сигналов Distal -less и FGF в регенерации конечностей земноводных». Развитие . 122 (11): 3487–3497. PMID  8951064 .
  2. ^ "Есть ли иммунная система саламандр ключ к регенерации?" . Science Daily . Проверено 21 мая 2013 .
  3. ^ Годвин, Джеймс У .; Пинто, Александр Р .; Розенталь, Надя (24 апреля 2013 г.). «Макрофаги необходимы для регенерации конечностей взрослой саламандры» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (23): 9415–9420. Bibcode : 2013PNAS..110.9415G . DOI : 10.1073 / pnas.1300290110 . PMC 3677454 . PMID 23690624 .  
  4. ^ Savard, P .; Ворота, ПБ; Брокес, JP (1988). «Зависимая от положения экспрессия транскрипта гена гомеобокса в отношении регенерации конечностей земноводных» . Журнал EMBO . 7 (13): 4275–4282. DOI : 10.1002 / j.1460-2075.1988.tb03325.x . PMC 455141 . PMID 2907476 .  
  5. ^ "Тритоны восстанавливают хрусталик глаза 18 раз" . Журнал КОСМОС. 2011-07-13. Архивировано из оригинала на 2012-04-24 . Проверено 6 июня 2013 .
  6. ^ а б в г Виртц, RM (2006). Заявка на патент США 11/996680.
  7. Перейти ↑ Carroll, SB (1995). " ' "Гомеотические гены и эволюция членистоногих и хордовых". Природа . +376 (6540):. 479-485 Bibcode : 1995Natur.376..479C . Дои : 10.1038 / 376479a0 . PMID 7637779 . S2CID 4230019 .  
  8. ^ Раддл, FH; Бартельс, JL; Bentley, KL; Каппен, С .; Murtha, MT; Пендлтон, Дж. В. (1994). «Эволюция Hox-генов». Ежегодный обзор генетики . 28 (1): 423–442. DOI : 10.1146 / annurev.ge.28.120194.002231 . PMID 7893134 . 
  9. ^ Малики, J .; Cianetti, LC; Peschle, C .; Макгиннис, В. (1992). «Регуляторный элемент HOX4B человека обеспечивает экспрессию, специфичную для головы в эмбрионах дрозофилы ». Природа . 358 (6384): 345–347. Bibcode : 1992Natur.358..345M . DOI : 10.1038 / 358345a0 . PMID 1353609 . S2CID 4256366 .  
  10. ^ Геллон, G .; Макгиннис, В. (1998). «Формирование планов тела животных в развитии и эволюции путем модуляции паттернов экспрессии Hox» (PDF) . BioEssays . 20 (2): 116–125. DOI : 10.1002 / (sici) 1521-1878 (199802) 20: 2 <116 :: aid-bies4> 3.0.co; 2-р . PMID 9631657 .  
  11. ^ a b c d e f Mannaert, A .; Roelants, K .; Bossuyt, F .; Лейнс, Л. (2006). «Обзор ПЦР для задних Hox генов у земноводных». Молекулярная филогенетика и эволюция . 38 (2): 449–458. DOI : 10.1016 / j.ympev.2005.08.012 . PMID 16198128 . 
  12. ^ а б в г Джонсон, PT; Лунде, КБ; Ричи, EG; Лаунер, AE (1999). «Влияние трематодной инфекции на развитие конечностей земноводных и выживаемость». Наука . 284 (5415): 802–804. Bibcode : 1999Sci ... 284..802J . DOI : 10.1126 / science.284.5415.802 . PMID 10221912 . 
  13. ^ a b c d e f g h i j k Voss, SR; Putta, S .; Уокер, JA; Смит, JJ; Maki, N .; Цонис, П.А. (2013). «Кластеры саламандры Hox содержат повторяющуюся ДНК и расширенные некодирующие области: типичная структура Hox для четвероногих позвоночных, не относящихся к млекопитающим?» . Геномика человека . 7 (9): 9. DOI : 10,1186 / 1479-7364-7-9 . PMC 3630018 . PMID 23561734 .  
  14. ^ Tsonis, PA (1990). «Регенерация конечностей земноводных». In Vivo . 5 (5): 541–550. PMID 1768806 . 
  15. ^ Чжао, Лудань; Хелмс, Джилл А. (2011). «Вспоминая свои корни: важность клеточной памяти в заживлении ран и регенерации конечностей» . Достижения в лечении ран . 2 : 26–30. DOI : 10,1089 / 9781934854280,26 (неактивный 2021-01-15) . Проверено 3 ноября 2015 .CS1 maint: DOI неактивен с января 2021 г. ( ссылка )
  16. ^ Кейм, Брэндон (2009-07-01). «Открытие саламандры может привести к регенерации человеческих конечностей» . Проводной . Проверено 3 ноября 2015 .
  17. ^ Оливер, G .; Райт, резюме; Hardwicke, J .; Де Робертис, EM (1988). «Дифференциальная переднезадняя экспрессия двух белков, кодируемых геном гомеобокса у эмбрионов Xenopus и мыши» . Журнал EMBO . 7 (10): 3199–3209. DOI : 10.1002 / j.1460-2075.1988.tb03187.x . PMC 454715 . PMID 2460338 .  
  18. ^ Оливер, G .; Райт, CVE; Hardwicke, J .; Де Робертис, EM (1988). «Градиент белка гомеодомена в развивающихся передних конечностях Xenopus и мышиных эмбрионов». Cell . 55 (6): 1017–1024. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (88) 90246-2 . PMID 2904837 . S2CID 21318174 .  
  19. ^ Eichele, G (1989). «Ретиноиды и формирование рисунка конечностей позвоночных». Тенденции в генетике . 5 (8): 246–251. DOI : 10.1016 / 0168-9525 (89) 90096-6 . PMID 2686112 .