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

Гомеобокс

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Гомеобокс (homeobox) это последовательность ДНК, обнаруженная в генах, вовлеченных в регуляцию развития у животных, грибов и растений. Гены, которые содержат гомеобокс, образуют отдельное семейство.

Наиболее изученными и наиболее консервативными белками, содержащими гомеодомен, являются Hox-гены, которые контролируют сегментацию во время развития. Однако не все белки, содержащие гомеодомен, являются белками Hox.

Открытие

Гены, содержащие гомеобокс, были независимо открыты в 1983 году группой Уолтера Геринга в униветситете Базеля, Швейцария, и Мэтью Скоттом и Эми Вейнером, которые работали с Томасом Кауфманом в университете Индианы, Блумингтон.^[1][2]

Гомеодомен

Гомеобокс состоит приблизительно из 180 пар нуклеотидов, он кодирует белковый домен длиной в 60 аминокислот (гомеодомен), который может связывать ДНК. Гомеодомен содержит структуру «спираль-поворот-спираль» (helix-turn-helix), в которой три α-спирали соединены короткими неспиральными участками. Две более короткие α-спирали, расположенные ближе к N-концу, антипараллельны, а третья α-спираль, более длинная и распложенная ближе к С-концу, примерно перпендикулярна осям двух первых; именно она непосредственно связывается с ДНК.

Гены, содержащие гомеобокс, кодируют факторы транскрипции, которые, как правило, переключают каскады других генов. Гомеодомен связывается с ДНК специфическим образом.

Однако специфичности одного гомеодомена, как правило, не хватает для распознавания целевого гена. Обычно белки, содержащие гомеодомен, действуют в промоторной области целевых генов в комплексе с другими факторами транскрипции, часто также белками, содержащими гомеодомен. Такие комплексы, как правило, имеют намного более высокую специфичность по сравнению с белком, имеющим единственный гомеодомен.

Hox-гены

Основная статья: Гомеозисные гены

Молекулярные данные свидетельствют о том, что некоторое число Hox-генов есть даже у Cnidaria, то есть у предков истинных билатеральных животных. Таким образом, данные гены появлились до Палеозоя.^[3]

Hox-гены являются абсолютно необходимыми для развития многоклеточных, они определяют регионы развития эмбриона вдоль передне-задней оси. У амфибии Xenopus Эдди Робетисом с соавторами в 1984 году был выделен первый Hox-ген позвоночного (см. Carrasco, McGinnis, Gehring and De Robertis, Cell 37, 409—414, 1984).

У позвоночных четыре кластера паралогов частично отличаются по функциям, в частности, HoxA и HoxD определяют развитие по оси конечности.

Основной интерес к этим генам происходит из-за их уникального поведения. Эти гены обычно располагаются группами, линейный порядок генов внутри кластера соответствует времени работы гена в развитии. Данное явление называют коллинеарностью. Изменения в генах в составе кластера приводят к сходным изменениям в соответствующих районах действия последующих генов. Примерами таких генов являютя гены Antennapedia и bithorax у дрозофилы.

Разнообразие

Гены, содержащие гомеобокс, были впервые найдены у дрозофилы, и затем обнаружены у многих других видов, от насекомых до рептилий и млекопитающих, а также грибов, дрожжей и растений. У растений хорошо изучены группа генов knottex homeobox (knox), которые, как и гены, содержащие гомеобокс у животных, являются транскрипционными факторами, регулирующими развитие.

У растений

Хорошо изученные гомеозисные гены растений MADs-гены не являются гомологичными генам Hox у животных. Они не осдержат гомеобокса, а содержат другую, негомологичную ему последовательность из 168-180 пар оснований - MADS-box. Как и гомеобокс, MADS-box кодирует соответствующий белковый домен, отвечающий за связывание с ДНК. Растения и млекопитающие не имеют одинаковых гомеозисных генов, что указывает, по-видимому, на то, что гомеозисные гены возникли независимо на ранних стадиях эволюции растений и животных.

У человека

Гены, содержащие гомеобокс у человека, подразделяют на четыре кластера, расположенные в разных хромосомах:

Мутации

Мутации генов, содержащих гомеобокс, могут иметь значительные видимые фенотипические проявления.

Два примера мутаций, затрагивающих гены, имеющие гомеобокс, у дрозофилы — это появление конечностей вместо антенн (antennapedia), и появление второй пары крыльев.

Дупликации генов, содержащих гомеобокс, может вызывать образование новых сегментов тела, таким образом, такие дупликации имеют значение в эволюции сегментированных животных.

Регуляция

Регуляция Hox-генов очень сложная и включает в себя реципрокные взаимодействия, в основном ингибиторные. У дрозофилы известны две группы генов белки группы Polycomb и Trithorax. Комплексы, поддерживающие эскпрессию генов Hox работают в течение развития личинки после понижающей регуляции генов pair-rule и gap. Белки группы Polycomb могут подавлять HOX-гены путем изменения структуры хроматина.^[4]

Примечания

1. ↑ McGinnis W; Levine MS, Hafen E, Kuroiwa A, Gehring WJ (1984). "A conserved DNA sequence in homoeotic genes of the Drosophila Antennapedia andbithorax complexes". Nature 308 (5958): 428–33. DOI:10.1038/308428a0. PMID 6323992.
2. ↑ Scott MP; Weiner AJ (1984). "Structural relationships among genes that control development: sequence homology between the Antennapedia, Ultrabithorax, and fushi tarazu loci of Drosophila". PNAS 81 (13): 4115–9. DOI:10.1073/pnas.81.13.4115. PMID 6330741.
3. ↑ Ryan, Joseph F; Maureen E. Mazza, Kevin Pang, David Q. Matus, Andreas D. Baxevanis, Mark Q. Martindale, John R. Finnertyl (2007-01). "Pre-Bilaterian Origins of the Hox Cluster and the Hox Code: Evidence from the Sea Anemone, Nematostella vectensis". PLoS ONE 2 (1): e153.DOI:10.1371/journal.pone.0000153.
4. ↑ The Role of RNAi and Noncoding RNAs in Polycomb Mediated Control of Gene Expression and Genomic Programming // RNA and the Regulation of Gene Expression: A Hidden Layer of Complexity. — Caister Academic Press, 2008. — ISBN ISBN 978-1-904455-25-7

Ссылки

• Lodish et al. (2003). Molecular Cell Biology. — 5th Edition. — New York: W.H. Freeman and Company, 2003. — ISBN 0-7167-4366-3
• Ogishima S; Tanaka H. (January 2007). "Missing link in the evolution of Hox clusters". Gene 387 (1-2): 21–30.DOI:10.1016/j.gene.2006.08.011. PMID 17098381.

Внешние ссылки

• Zhong YF, Butts T, Holland PWH, 2008. HomeoDB: база данных по разнообразию генов гомеобокса
• Ресурсы по гомеобоксу, by Thomas R. Bürglin
• Открытие гомеобокса

Категории: ДНК | Биология развития | Факторы транскрипции

http://en.wikipedia.org/wiki/Homeobox

Homeobox

From Wikipedia, the free encyclopedia

A homeobox is a DNA sequence found within genes that are involved in the regulation of patterns of development (morphogenesis) inanimals, fungi and plants.

Discovery

They were discovered independently in 1983 by Walter Jakob Gehring and his colleagues at the University of Basel, Switzerland, andMatthew P. Scott and Amy Weiner, who were then working with Thomas Kaufman at Indiana University in Bloomington.^[1][2]

Homeodomain

A homeobox is about 180 base pairs long. It encodes a protein domain (the homeodomain) which when expressed (e.g. as protein) can bind DNA.

Homeobox genes encode transcription factors which typically switch on cascades of other genes. The homeodomain binds DNA in a specific manner.

However, the specificity of a single homeodomain protein is usually not enough to recognize only its desired target genes. Most of the time, homeodomain proteins act in the promoter region of their target genes as complexes with other transcription factors, often also homeodomain proteins. Such complexes have a much higher target specificity than a single homeodomain protein.

Homeodomains are found both in genes of the Hox gene clusters and in other genes throughout the genome.

Hox genes

Main article: Hox gene

Molecular evidence shows that some limited number of Hox genes have existed in the Cnidaria since before the earliest true Bilatera, making these genes pre-Paleozoic.^[3]

They are essential metazoan genes as they determine the identity of embryonic regions along the anterio-posterior axis. The first vertebrate Hox gene was isolated in Xenopus by Eddy De Robertis and colleagues in 1984, marking the beginning of the young science of Evo-devo^[4].

In vertebrates, the four paralog clusters are partially redundant in function, but have also acquired several derived functions. In particular, HoxA and HoxD specify segment identity along the limb axis.

The main interest in this set of genes stems from their unique behaviour. They are typically found in an organized cluster. The linear order of the genes within a cluster is directly correlated to the order of the regions they affect as well as the timing in which they are affected. This phenomenon is called colinearity. Due to this linear relationship, changes in the gene cluster due to mutations generally result in similar changes in the affected regions.

For example, when one gene is lost the segment develops into a more anterior one, while a mutation that leads to a gain of function causes a segment to develop into a more posterior one. This is called ectopia. Famous examples are Antennapedia and bithorax in Drosophila, which can cause the development of antennae instead of legs and the development of a duplicated thorax, respectively.

Diversity

The homeobox genes were first found in the fruit fly Drosophila melanogaster and have subsequently been identified in many other species, from insects to reptiles and mammals.

Homeobox genes were previously only identified in bilateria but recently cnidaria have also been found to contain homeobox domains and the "missing link" in the evolution between the two has been identified.

Homeobox genes have even been found in fungi, for example the unicellular yeasts, and in plants.

Plants

The well known homeotic genes in plants (MADS-box genes) are not homologous to Hox genes in animals. Plants and animals do not share the same homeotic genes, and this suggests that homeotic genes arose independently in the early evolution of animals and plants.

Human genes

Humans generally contain homeobox genes in four clusters: