The Hox gēni ir lielas gēnu saimes, kas ir atbildīgs par regulēšanai attīstību ķermeņa struktūru. Tie ir atrasti visos metazoānos un citās sugās, piemēram, augos un dzīvniekos. Tāpēc viņiem ir raksturīga evolūcijā ļoti konservatīva.
Šie gēni darbojas šādi: tie kodē transkripcijas faktoru - olbaltumvielu, kas spēj mijiedarboties ar DNS -, kas tiek izteikts noteiktā indivīda apgabalā no agrīnākajiem attīstības posmiem. Šo DNS saistošo secību sauc par homeobox.
Avots: Antonio Quesada Díaz, izmantojot Wikimedia Commons
Ar gandrīz 30 gadu pētījumu šajā jomā zinātnieki ir izpētījuši dažādas līnijas un secinājuši, ka šo gēnu ekspresijas modeļi ir cieši saistīti ar ķermeņa asu reģionalizāciju.
Šie pierādījumi liecina, ka Hox gēniem ir bijusi neaizstājama loma dzīvo būtņu ķermeņa plānu attīstībā, īpaši Bilaterijā. Tādējādi Hox gēni ļāva izskaidrot lielisko dzīvnieku formu daudzveidību no molekulārā viedokļa.
Mums, cilvēkiem, ir 39 Hox gēni. Tās ir sagrupētas četrās grupās vai grupās, kas atrodas dažādās hromosomās: 7p15, 17q21.2, 12q13 un 2q31.
Atklājums
Hox gēnu atklāšana bija pagrieziena punkts evolūcijas un attīstības bioloģijā. Šie gēni tika atklāti laikā no 70. līdz 80. gadiem, pateicoties divu galveno mutāciju novērošanai augļu mušā - Drosophila melanogaster.
Viena no mutācijām, antennapedia, antenas pārveido kājās, savukārt bithorax mutācija izraisa halteru (modificētas struktūras, kas raksturīgas spārnotajiem kukaiņiem) pārveidošanu citā spārnu pārī.
Kā redzams, kad Hox gēnos ir mutācijas, rezultāts ir diezgan dramatisks. Un, tāpat kā Drosofilā, izmaiņas noved pie struktūru veidošanās nepareizajās vietās.
Pirms Hox gēnu atklāšanas vairums biologu uzskatīja, ka DNS līmenī morfoloģisko daudzveidību atbalsta daudzveidība. Loģiski bija pieņemt, ka acīmredzamās atšķirības starp, piemēram, vaļu un kolibri, ir jāatspoguļo ģenētiski.
Ar Hox gēnu parādīšanos šī domāšana pārņēma pilnīgu apgriezienu, dodot ceļu uz jaunu paradigmu bioloģijā: kopēju ģenētiskās attīstības ceļu, kas apvieno metazoānu vienotību.
Kas ir Hox gēni?
Pirms Hox gēnu jēdziena definēšanas ir svarīgi zināt, kas ir gēns un kā tas darbojas. Gēni ir DNS sekvences, kuru vēstījums ir izteikts fenotipā.
DNS ziņa tiek rakstīta nukleotīdos, dažos gadījumos tie nonāk Messenger MNS, un ribosomas to pārveido aminoskābju secībā - olbaltumvielu strukturālajos "celtniecības blokos".
Hox gēni ir vispazīstamākā homeotisko gēnu klase, kuru funkcija ir kontrolēt īpašus ķermeņa struktūru modeļus. Tie ir atbildīgi par to, lai kontrolētu segmentu identitāti pa dzīvnieku anteroposterior asi.
Viņi pieder pie vienas gēnu ģimenes, kas kodē olbaltumvielas, kurām ir īpaša aminoskābju secība, kas spēj mijiedarboties ar DNS molekulu.
Šeit no šīs sadaļas gēnā nāk termins homeobox, savukārt olbaltumvielās to sauc par homeodomain. Homeobox sekvencē ir 180 bāzes pāri, un šie domēni evolucionāri ir ļoti konservatīvi starp dažādiem Phyla.
Pateicoties šai mijiedarbībai ar DNS, Hox gēni spēj regulēt citu gēnu transkripciju.
Terminoloģija
Gēnus, kas iesaistīti šajās morfoloģiskajās funkcijās, sauc par homeotiskiem lokiem. Dzīvnieku valstībā vissvarīgākie ir zināmi kā HOM loci (bezmugurkaulniekiem) un Hox loci (mugurkaulniekiem). Tomēr tos parasti sauc par Hox loci.
raksturojums
Hox gēniem ir virkne ļoti savdabīgu un interesantu īpašību. Šie galvenie aspekti palīdz izprast tā darbību un potenciālo lomu evolūcijas bioloģijā.
Šie gēni ir sakārtoti "gēnu kompleksos", kas nozīmē, ka tie atrodas tuvu viens otram hromosomās - to telpiskās atrašanās vietas ziņā.
Otrais raksturojums ir pārsteidzošā korelācija, kas pastāv starp gēnu secību DNS secībā un šo gēnu produktu anteroposterioro atrašanās vietu embrijā. Burtiski šajā situācijā ir gēni, kas iet uz priekšu.
Līdzīgi, papildus telpiskajai kolinearitātei, pastāv arī laika korelācija. Gēni, kas atrodas 3 'galā, indivīda attīstībā rodas agrāk, salīdzinot ar tiem, kas atrodami tālāk.
Hox gēni pieder klasei ar nosaukumu ANTP, kurā ietilpst arī ParaHox gēni (ar tiem saistīti), NK gēni un citi.
Gēnu evolūcija
Neviens ANTP klases gēns nebija no Metazoans. Šīs dzīvnieku grupas evolucionārajā attīstībā bifeļi bija pirmie, kas atdalījās, pēc tam cnidarieši. Šīs divas līnijas pārstāv abpusējās divpusējās pamatgrupas.
Ģenētiskā analīze, kas veikta slavenajam sūklim Amphimedon queenslandica - tā slava ir gēnu dēļ nervu sistēmai - atklāja, ka šim porifajam ir vairāki NK tipa gēni, bet nav Hox vai ParaHox gēnu.
Par higiēna gēniem cnidarianos nav ziņots, kas atbilstu iepriekšminētajām īpašībām. Tomēr ir Hoxam līdzīgi gēni.
No otras puses, bezmugurkaulniekiem ir viens Hox gēnu kopums, savukārt mugurkaulniekiem ir vairākas kopijas. Šis fakts ir bijis izšķirošs un iedvesmojis teoriju attīstību par grupas evolūciju.
Mugurkaulnieku izcelsme
Klasiskais skatījums uz šo aspektu apgalvo, ka četras gēnu kopas cilvēka genomā radās, pateicoties visa genoma replikācijas divām kārtām. Tomēr jauno sekvencēšanas tehnoloģiju attīstība ir radījusi šaubas par teoriju.
Jaunie pierādījumi atbalsta hipotēzi, kas saistīta ar maza mēroga notikumiem (segmenta dublēšanās, individuāla gēnu dublēšanās un translokācijas), ar kuru palīdzību tika sasniegts augsts Hox gēnu skaits, ko šodien novērojam šajā grupā.
Atsauces
- Acampora, D., D'esposito, M., Faiella, A., Pannese, M., Migliaccio, E., Morelli, F.,… un Boncinelli, E. (1989). Cilvēka HOX gēnu ģimene. Nukleīnskābju izpēte, 17 (24), 10385-10402.
- Ferners, DE (2011). Hox un ParaHox gēni evolūcijā, attīstībā un genomikā. Genomika, proteomika un bioinformātika, 9 (3), 63–4.
- Hrycaj, SM, & Wellik, DM (2016). Hox gēni un evolūcija. F1000Research, 5, F1000 fakultāte, Rev-859.
- Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A., un Halliday, HL (2006). HOX gēni: vilinoša zinātne, noslēpumaini mehānismi. Ulsteres medicīnas žurnāls, 75 (1), 23. – 31.
- Pīrsons, JC, Lemons, D., & McGinnis, W. (2005). Hox gēna funkciju modulēšana dzīvnieku ķermeņa modelēšanas laikā. Dabas apskats Ģenētika, 6 (12), 893.