Homøotiske gener

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 15. september 2021; checks kræver 7 redigeringer .

Homøotiske gener  (eller homøotiske gener ) - gener , der bestemmer vækst- og differentieringsprocesserne i kroppen. Homøotiske gener koder for transkriptionsfaktorer, der styrer programmer til dannelse af organer og væv [1] .

Mutationer i homøotiske gener kan få en del af kroppen til at ændre sig til en anden. Homøotiske mutanter er de organismer, hvor et organ af en anden type udvikler sig i stedet for et organ. For eksempel, i Drosophila , når antennapedia er muteret , dannes et lem i stedet for antennen .

Homøotiske gener styrer arbejdet i andre gener og bestemmer transformationen af ​​udadtil uadskillelige dele af embryoet eller et bestemt organ (væv, en del af kroppen). Især homøotiske gener styrer forekomsten af ​​forskelle i segmenter af flercellede dyr i tidlig embryonal udvikling. Hos insekter spiller homøotiske gener en nøglerolle i bestemmelsen af ​​de strukturelle træk ved embryonale segmenter og strukturer på dem (ben, antenner, vinger, øjne).

De homøotiske gener fra dyr tilhører familien af ​​Hox-gener . Imidlertid er ikke alle gener i denne familie homøotiske. I Drosophila omfatter Hox-generne i Antennapedia -komplekset således zerknullt-, zerknullt2-, bicoid- og fushi-tarazu-generne, som ikke er homøotiske. [2]

Der er også ParaHox -genfamilien . Der er seks ParaHox-gener i det humane genom (GSX1, GSX2, PDX1 , CDX1 , CDX2 , CDX4 ), hvoraf tre gener (GSX1, PDX1 (=IPF1), CDX2) danner en klynge på kromosom 13 [3] .

Hos planter kendes også processer, der styres af homøotiske gener: phyllotaxis, udvikling af blomster og blomsterstande.

Dyr

Homeobox

Homøotiske gener indeholder en homeobox - en sekvens på 180 DNA  -basepar , der danner et homeodomæne i det kodede protein .

Homeo- domænet blev først opdaget i sammensætningen af ​​gener, der kontrollerer udviklingen, og især i sammensætningen af ​​homøotiske gener, i Drosophila. Imidlertid er mange gener, der indeholder en homeobox, ikke homøotiske. Homøobox er således en specifik sekvens af nukleotider, mens homøose er potentialet for dannelsen af ​​en homøotisk mutation. [fire]

Nukleotidsekvensen i homeoboxen er meget konserveret. Homøotiske proteiners funktionelle ækvivalens kan bevises ved, at udviklingen af ​​fluen med de tilsvarende homøotiske hønsegener forløber normalt. [5] Selvom kyllingens og fluens fælles forfader eksisterede for omkring 670 millioner år siden, [6] ligner hønsernes homøotiske gener fluernes i det omfang, de kan erstatte hinanden.

På grund af degenerationen af ​​den genetiske kode er sekvensen af ​​aminosyrerester i proteiner mere konservativ end sekvensen af ​​nukleotider i DNA, da forskellige kodoner kan kode for én aminosyre . En enkelt mutation i homøotiske geners DNA kan føre til slående ændringer i en organisme (se homøotiske mutationer ).

Homeodomæne

Proteinprodukterne fra homøotiske gener tilhører en særlig klasse af proteiner kaldet transkriptionsfaktorer, der binder til DNA og regulerer gentransskription . Homeodomænesekvensen består af 60 aminosyrerester. I Drosophila aktiverer proteinproduktet fra Antennapedia homøotiske gen gener, der bestemmer strukturen af ​​det andet thoraxsegment, der indeholder ben og vinger, og undertrykker gener involveret i dannelsen af ​​øjne og antenner. [7] Gener, der er reguleret af homeobox-holdige proteiner, kaldes realer-gener, og de er proteinprodukterne af segmentpolaritetsgener, der koder for vævs- og organspecifikke proteiner.

Enhancer-sekvenser, der binder til homeodomænet

Den DNA-sekvens, som homeodomænet binder til, indeholder nukleotidsekvensen TAATi 5'- enden og Ter vigtigst for binding. [8] Denne nukleotidsekvens er konserveret i næsten alle homeodomænebindingssteder . Da mange homeodomæne-holdige proteiner har de samme genkendelsessteder, bruges baseparrene efter denne initiatorsekvens til at skelne mellem disse proteiner. For eksempel genkendes nukleotidsekvensen derefter TAATaf den niende aminosyre i proteinet, der indeholder homeodomænet. Proteinet kodet af det maternale effekt-gen, Bicoid , indeholder en lysinrest i denne position, der tjener til at genkende og binde guanin . I Antennapedia -proteinet indeholder denne position glutamin , som genkender og binder til adenin . Hvis lysinresten i Bicoid-proteinet erstattes med glutamin, vil det ændrede protein genkende Antennapedia-specifikke enhancer-steder. [9] [10]

Hox-gener

Hox-gener er placeret på et eller flere (op til fire) kromosomer, normalt i tætte grupper (klynger), inden for hvilke en mere eller mindre streng rækkefølge er bevaret: "hoved"-generne er foran, "hale"-generne er bagved . I mere primitive repræsentanter for flercellede organismer, såsom ctenophores (Ctenophora) og coelenterates (Cnidaria), er der kun fire af disse embryonale regulatoriske gener, hos pattedyr er der allerede 48.

Hox-genfamilien er opdelt i 14 klasser. Disse 14 klasser menes at være opstået ved duplikering af et eller nogle få af de originale gener, replikaerne muterer derefter og påtager sig nye funktioner. Primitive coelenterater og ctenophorer har kun 4 klasser af Hox-gener, den formodede fælles forfader til bilateralt symmetriske dyr burde have haft mindst 8 af dem, og alle 14 klasser er til stede i pattedyr. Funktionsprincippet for disse gener er det samme. Deres produkter er transkriptionsfaktorer, hvis funktion er at "tænde" eller "slukke" andre gener. Som et resultat af arbejdet med Hox-faktorer lanceres en kaskade af reaktioner, hvilket fører til udseendet af de nødvendige proteiner i cellen.

I løbet af det seneste årti er Hox-geners DNA -sekvenser blevet dechifreret i mange grupper af dyr: annelider, fladorme, pighuder, nematoder, leddyr, sækdyr, lancetter, for ikke at nævne pattedyr.

Forordning

Homøotiske gener regulerer implementeringsgeners arbejde og reguleres til gengæld af gap- og par-regel-generne , som er under kontrol af morfogenproteiner fra en række gener for modereffekt . Dette resulterer i en kaskade af transkriptionsfaktorer : gener for modervirkning inkluderer gap- og par-regel-generne; gap- og par-regel-generne inkluderer homøotiske gener; endelig omfatter homøotiske gener realiser-gener, der fører til segmentering og differentiering af embryoet.

En sådan regulering udføres af koncentrationsgradienter af morfogenproteiner. En høj koncentration af et af de maternelle proteiner og en lav koncentration af andre inkluderer et bestemt sæt gap- og par-regel-gener. Hos fluer aktiveres det andet ekspressionsbånd af det lige overspringede embryogen af ​​maternelle proteiner Bicoid og Hunchback og undertrykkes af gap Giant og Kruppel proteiner [11] .

MicroRNA- molekyler i hox-klynger hæmmer de forreste homøotiske gener kraftigere, sandsynligvis for mere præcis regulering af deres ekspression. [12]

Ikke -kodende RNA'er (ncRNA'er) er bredt fordelt i homøotiske genklynger . Et af de ikke-kodende RNA-gener hos mennesker, HOTAIR, reducerer niveauet af transskription af homøotiske gener (det transskriberes fra HOXC-klyngen og hæmmer sene HOXD-gener) ved at binde til Polycomb-gruppeproteinerne (PRC2). [13]

Kromatinstruktur er essentiel for transkription , men sløjfe ud af kromosomområderne, hvor klyngen er placeret, er også påkrævet. [14] Kvantitativ PCR viste nogle mønstre af kollinearitet: systemet er i ligevægt, og det samlede antal transkripter afhænger af antallet af gener præsenteret i en lineær sekvens. [femten]

Homøotiske mutationer

Fejl i ekspressionen af ​​homøotiske gener fører til store ændringer i individets morfologi. Homøotiske mutationer blev først beskrevet i 1894 af William Batson , som beskrev udseendet af støvdragere i stedet for kronblade.

I slutningen af ​​1940'erne, i en Drosophila melanogaster -modelplante , studerede Edward Lewis homøotiske mutationer, der førte til dannelsen af ​​bizarre organer. Mutationer i gener involveret i udvikling af lemmer kan føre til deformitet eller endda død. For eksempel fører mutationer i Antennapedia-genet til dannelsen af ​​lemmer på fluens hoved i stedet for antennerne. [16]

Et andet velkendt eksempel i Drosophila er en mutation i det homøtiske gen Ultrabithorax , som bestemmer udviklingen af ​​det tredje thoraxsegment. Normalt har dette segment et par ben og et par halteres (reducerede vinger). Hos mutanter, der ikke har et funktionelt Ultrabithorax-protein, udvikler det tredje segment de samme strukturer som det andet thoraxsegment, som bærer et par lemmer og et par fuldt udviklede vinger. Sådanne mutanter findes nogle gange i vilde populationer af frugtfluer, og undersøgelsen af ​​sådanne mutanter har ført til opdagelsen af ​​homøotiske dyregener.

Kolinearitet

Homøotiske gener i kromosomerne hos mange dyr er placeret meget tæt på hinanden og danner klynger. Samtidig observeres kollinearitet i Drosophila - sekvensen af ​​gener på kromosomet svarer til sekvensen af ​​deres udtryk langs den anterior-posteriore akse af kroppen.

Klassifikation

Forskellige navne er blevet givet til homøotiske gener i forskellige taxa, hvilket fører til forvirring i nomenklaturen. I tilfælde af nogle protostomer ( Ecdysozoa  - leddyr, nematoder) udgør homøotiske gener to klynger Antennapedia og Bithorax , som tilsammen kaldes HOM-C (Homeotic Complex). I tilfælde af deuterostomer (echinodermer, chordater) kaldes homøotiske gener Hox - gener, og der er fire klynger: Hoxa, Hoxb, Hoxc og Hoxd. I protostomer omtales gomesis-gener også ofte som Hox-gener, selvom det ikke er helt korrekt.

Fylogeni af homøotiske gener

Der er omkring ti homøotiske gener i Ecdysozoa . Hvirveldyr har fire sæt paraloger af de ti gener Hoxa, Hoxb, Hoxc og Hoxd. Disse klynger af paraloger blev dannet som et resultat af to duplikationer af hvirveldyrgenomer. [17]

Begge duplikationer fandt sted efter forfædrene til lanceletter og sækdyr adskilte sig fra en fælles stamme med hvirveldyr, og før de evolutionære slægter af pattedyr og bruskfisk blev adskilt. Mest sandsynligt fandt den første duplikation sted kort før adskillelsen af ​​de kæbeløse og gnathostome slægter, og den anden kort efter (adskillelsen af ​​disse slægter fandt sandsynligvis sted for omkring 530 millioner år siden). [atten]

Selvom homøotiske gener for hvirveldyr er kopier af Ecdysozoa- gener , er disse kopier ikke identiske. Som et resultat af akkumulering af mutationer over tid udfører proteiner forskellige funktioner. I forskellige grupper af hvirveldyr går nogle gener tabt eller duplikeres.

Hoxa og Hoxd bestemmer lemmernes udvikling. Hox-ekspression i lemmet har to stadier - i det første udvikler lemmet sig selv, på det senere trin arbejder Hoxd 8 - 13 og der dannes fingre, mens en separat regulatorisk region er involveret i 5'-enden af ​​Hoxd 13 gen, som ikke findes i Teleostei . [19]

Historie

Betydningen af ​​mutationer i homøotiske gener for udviklingen af ​​arvelighedsteorien blev først påpeget af forfatteren til dette udtryk, William Batson , i 1894. I 1920'erne studerede en elev af S. S. Chetverikov , E. I. Balkashina , homøotiske mutationer (inklusive på Drosophila ) . Balkashina beskrev mutationen af ​​aristopedia i Drosophila og etablerede paralleliteten af ​​fænomenerne homøose under regenerering og mutation af homøotiske gener, og kortlagde også de tre homøotiske gener fra Drosophila kendt på det tidspunkt.

Edward Lewis i 1948 påbegyndte en systematisk undersøgelse af de homøtiske gener, der styrer udviklingen af ​​imaginære larveskiver til voksne organer . Lewis opdagede collinearitet i rummet mellem rækkefølgen af ​​generne af bithorax- komplekset i kromosomet og rækkefølgen af ​​de imaginale diske (segmenter), for udviklingen af ​​hvilke de er ansvarlige, langs den anterior-posteriore akse af kroppen.

Christiane Nüsslein-Volhard og Eric Wieschaus klassificerede 15 gener, der bestemmer kropsstruktur og segmentdannelse i Drosophila melanogaster . I 1995 modtog forskerne Nobelprisen i medicin.

I januar 2013 gennemførte spanske forskere et eksperiment for at introducere hoxd13 -genet, som er ansvarlig for udviklingen af ​​lemmer til bevægelse på land, lånt fra mus i zebrafiskgenotypen. Fiskene har selv et lignende gen, men det viser ikke tilstrækkelig aktivitet til udvikling af poter. Som et resultat af eksperimentet modtog fisk i stedet for finner de grundlæggende elementer af lemmer, der kunne give bevægelse på jorden. [tyve]

I planter

Ekspressionen af ​​gener, der regulerer planteudvikling, styres af interne og eksterne faktorer. De interne faktorer, der påvirker deres aktivitet, omfatter hormoner , saccharose og nogle mineralske elementer, og de eksterne faktorer er temperatur og lys. En vigtig rolle i reguleringen af ​​differentierings- og udviklingsprocesser tilhører gener, der indeholder promotorer , der er følsomme og specifikke for fytohormoner og miljøfaktorer som lys og temperatur. Promotorerne af mange gener, hvis aktivitet er reguleret af phytohormoner, indeholder transkriptionelle elementer, der bestemmer den hormonelle specificitet af plantevækstreaktioner.

I øjeblikket er nøglegener blevet identificeret, der kontrollerer embryogenese , aldring og fotomorfogenese, regulerer funktionen af ​​apikale, laterale og blomstermeristemer og er ansvarlige for dannelsen af ​​rødder, blade og kar. Udtrykket af gener, der regulerer udviklingen af ​​blomster, er det bedst undersøgte. Baseret på aktuelt tilgængelig genetisk information, matematiske apparater og computerprogrammer, blev det muligt at bygge såkaldte genetiske regulatoriske netværk, der giver os mulighed for at evaluere hele spektret af interaktioner mellem forskellige regulatoriske gener i processen med celledifferentiering og dannelsen af ​​planteorganer. . Individuelle elementer i disse netværk er i stand til at styre flere processer på forskellige udviklingsstadier. Derfor kan mutationer, der påvirker forskellige regioner af det samme regulatoriske gen, være forskellige i deres fænotypiske manifestation.

I højere planter er funktionen af ​​to typer udviklingsregulatorgener bedst undersøgt: homeobox-holdige og MADS-box- gener .

Homeobox-gener

Homeobox-holdige gener identificeres ved tilstedeværelsen af ​​en karakteristisk DNA-sekvens på ca. 180 basepar (homeobox), der koder for homeodomænet ,  en konserveret region af en række transkriptionsfaktorer. Denne nukleotidsekvens er typisk for gener af kaskadetypen for udviklingsregulering.

Majs KNOTTED1 (KN1) var det første klonede plantegen, der koder for et homeodomæneholdigt protein. Den knudrede 1-mutation får KN1-genet til at blive udtrykt på det forkerte tidspunkt og på det forkerte sted. I kn1-mutanter optræder grupper af celler omkring allerede differentierede bladceller, som stadig fortsætter med at dele sig. Grupper af delende celler placeret langs de vaskulære elementer i hele bladbladet danner de såkaldte noder (knuder). Senere blev en hel familie af KN1-lignende gener opdaget, kaldet KNOX (KNOTTED1-lignende HOMEOBOX). Overekspression af generne i KNOX-familien forvrænger også bladudvikling.

Blandt plante-KNOX-generne er en stor gruppe, der er involveret i reguleringen af ​​aktiviteten af ​​skuddets apikale meristem og bladudvikling, blevet mest grundigt undersøgt: KN1 og RS1 i majs, KNAT1, KNAT2 og STM i Arabidopsis thaliana , HvKNOX3 i byg, og OSH1 i ris. KN1-, STM-generne og deres funktionelle analoger er ansvarlige for at opretholde meristemcelledeling og undertrykke deres yderligere differentiering. Disse gener udtrykkes i skud apikale meristemer såvel som i blomstermeristemer.

Gener, der indeholder MADS-boksen

Udtrykket "MADS-box" er afledt af initialerne af fire gener: gær MCM1, Arabidopsis AG, snapdragon DEF og pattedyr SRF. Generne, der indeholder MADS-boksen, inkluderer især AG ( AGAMOUS ), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) og AP3 (APETALA3), TFL1 (TERMINAL FLOWER), PI (PISTILLATA). Gener af denne type regulerer florigenese og bestemmer skæbnen for celler i ægløsningen; deres udtryk blev fundet i embryonet, rødderne og bladene. MADS-boksgenerne inkluderer størstedelen af ​​plantehomotiske gener, især gener for blomsterorganernes identitet. Det antages, at fremkomsten af ​​nye organer i processen med progressiv udvikling af planter, for eksempel æg og frø, blev ledsaget af fremkomsten af ​​nye underfamilier af MADS-boksgener.

Transskriptionsfaktorer

Direkte kontrol over udviklingen af ​​planteorganer og -væv udføres af transkriptionsfaktorer (TF'er), proteiner, der efter flytning til cellekernen regulerer transkriptionen ved specifikt at interagere med DNA eller med andre proteiner, der kan danne et protein-DNA-kompleks.

Se også

Litteratur

  • Lutova L. A., Provorov N. A., Tikhodeev O. N., Tikhonovich I. A., Khodzhayova L. T., Shishkova S. O. Genetik for planteudvikling / Ed. Tilsvarende medlem RAS S. G. Inge-Vechtomova. - St. Petersborg: Nauka, 2000. - 539 s.
  • Korochkin L. I., Yankovsky N. K., Gvozdev V. A., Gaponenko A. K., Limborskaya S. A. Genom, kloning, menneskelig oprindelse / Ed. Tilsvarende medlem RAS L. I. Korochkina. - Fryazino: Alder 2, 2003. - 224 s.
  • Medvedev S. S., Sharova E. I. Genetisk og epigenetisk regulering af udviklingen af ​​planteorganismer (gennemgang) / Journal of Siberian Federal University. Biologi 2 (2010-3).
  • Lewin. gener VII. — 7. - New York: Oxford University Press, 2002. - S. 960. - 990 s. — ISBN 0-19-879276-X .

Noter

  1. ↑ Wang, X. og Müller, WE (2016). Molekylær morfogenese: genekspressionsmønstre hos dyr. Anmeldelser i cellebiologi og molekylær medicin. 2:1–41 doi : 10.1002/3527600906.mcb.200500041.pub2
  2. ↑ shatal.pmd Arkiveret 10. januar 2005 på Wayback Machine
  3. ↑ Ferrier DE , Dewar K. , Cook A. , Chang JL , Hill-Force A. , Amemiya C. The chordate ParaHox cluster.  (engelsk)  // Aktuel biologi : CB. - 2005. - Bd. 15, nr. 20 . - s. 820-822. - doi : 10.1016/j.cub.2005.10.014 . — PMID 16243016 .
  4. ↑ Burglin, T. (2005). Hjemmekassesiden. http://www.cbt.ki.se/groups/tbu/homeo.html#Structure%20of%20the%20homeodomain Arkiveret 11. september 2011 på Wayback Machine
  5. ↑ Lutz, B.; H. C. Lu, G. Eichele, D. Miller og T. C. Kaufman. Redning af Drosophila labial nulmutant af kyllingeortologen Hoxb-1 viser, at funktionen af ​​Hox-gener er fylogenetisk konserveret  // Genes & Development  : journal  . - 1996. - Bd. 10 . - S. 176-184 . — PMID 8566751 .
  6. ↑ Ayala, FJ; A. Rzhetskydagger.  Oprindelse af metazoan phyla : Molekylære ure bekræfter palæontologiske skøn  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1998. - 20. januar ( bind 95 , nr. 2 ). - s. 606-611 . — PMID 9435239 .
  7. ↑ Cesares og Mann 1998; Plaza et al 2001
  8. ↑ Scott F. Gilbert. Udviklingsbiologi . — Ottende Udgave. - Sinauer Associates Inc., 2006. - 785 s. — ISBN 087893250X .
  9. ↑ Hanes SD , Brent R. DNA-specificiteten af ​​det bicoide aktivatorprotein bestemmes af homeodomæne-genkendelseshelixrest 9.  //  Cell. - 1989. - Bd. 57, nr. 7 . - S. 1275-1283. — PMID 2500253 .
  10. ↑ Hanes SD , Brent R. En genetisk model for interaktion af homeodomæne-genkendelseshelixen med DNA.  (engelsk)  // Science (New York, NY). - 1991. - Bd. 251, nr. 4992 . - S. 426-430. — PMID 1671176 .
  11. ↑ Lille S. , Blair A. , ​​Levine M. Regulering af stribe 2, der er oversprunget lige over i Drosophila-embryoet.  (engelsk)  // EMBO-tidsskriftet. - 1992. - Bd. 11, nr. 11 . - P. 4047-4057. — PMID 1327756 .
  12. ↑ Lempradl A. , Ringrose L. Hvordan regulerer ikke-kodende transkription Hox-gener?  (engelsk)  // BioEssays: nyheder og anmeldelser inden for molekylær-, cellulær- og udviklingsbiologi. - 2008. - Bd. 30, nr. 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 Funktionel afgrænsning af aktive og tavse kromatindomæner i ikke-humane HOX loci RNA'er.  (engelsk)  // Cell. - 2007. - Bd. 129, nr. 7 . - S. 1311-1323. - doi : 10.1016/j.cell.2007.05.022 . — PMID 17604720 .
  14. ↑ Fraser P, Bickmore W. Nuklear organisation af genomet og potentialet for genregulering   // Nature . - 2007. - Bd. 447 , nr. 7143 . - S. 413-7 . — PMID 17522674 .
  15. ↑ Montavon T. , Le Garrec JF , Kerszberg M. , Duboule D. Modellering af Hox-genregulering i cifre: omvendt kollinearitet og tommelfingerens molekylære oprindelse.  (engelsk)  // Gener & udvikling. - 2008. - Bd. 22, nr. 3 . - S. 346-359. - doi : 10.1101/gad.1631708 . — PMID 18245448 .
  16. ↑ Pierce, Benjamin A. Genetics: A Conceptual approach. 2. udgave . — W. H. Freeman; 2. udgave, 2004. - 832 s. — ISBN 071678881.
  17. ↑ Dehal P. , Boore JL To runder af helgenomduplikation i det forfædres hvirveldyr.  (engelsk)  // Public Library of Science Biology. - 2005. - Bd. 3, nr. 10 . - P. e314. - doi : 10.1371/journal.pbio.0030314 . — PMID 16128622 .
  18. ↑ Elements Science News: Lancelet Genome hjælper med at låse op for hemmeligheden bag hvirveldyrs evolutionære succes . Hentet 10. maj 2009. Arkiveret fra originalen 23. juni 2013.
  19. ↑ Deschamps J. Ancestral og nyligt rekrutteret global kontrol over Hox-generne under udvikling.  (engelsk)  // Aktuel mening inden for genetik og udvikling. - 2007. - Bd. 17, nr. 5 . - S. 422-427. - doi : 10.1016/j.gde.2007.07.008 . — PMID 17870464 .
  20. ↑ Arkiveret kopi (link ikke tilgængeligt) . Dato for adgang: 29. januar 2013. Arkiveret fra originalen 25. januar 2013.   Forvandlingen af ​​finner til poter til at gå på land er nu blevet demonstreret i laboratoriet: Spanske videnskabsmænd har dyrket lemmernes rudimenter hos zebrafisk.
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier