Гомеобокс

Основная статья: Гомеобокс

Гомеозисные гены содержат гомеобокс — последовательность из 180 пар нуклеотидов ДНК, образующую в кодируемом белке гомеодомен.

Гомеодомен впервые был обнаружен в составе генов, контролирующих развитие, и, в частности, в составе гомеозисных генов, у дрозофилы. Однако, многие гены, содержащие гомеобокс, не являются гомеозисными. Таким образом, гомеобокс — это особая последовательность нуклеотидов, в то время как гомеозисность — это потенциальная возможность образования гомеозисной мутации.^[3]

Консервативность последовательности нуклеотидов

Последовательность нуклеотидов в гомеодомене высоко консервативна. Фукнциональная равнозначность гомеозисных белков может быть доказана тем фактом, что развитие мухи с соответствующим гомеозисным геноми курицы протекает нормально.^[4] Несмотря на то, что общий предок курицы и мухи существовал около 670 миллионов лет назад,^[5]гомеозисные гены куриц аналогичны таким генам у мух до такой степени, что могут заменить друг друга.

Из-за вырожденности генетического кода последовательность остатков аминокислот в составе белков более консервативна, чем последовательность нуклеотидов в ДНК, так как одну аминокислоту могут кодировать разные кодоны. Единственная мутация в ДНК гомеозисных генов может привести к поразительным изменениям организма (см. гомеозисные мутации).

Гомеодомен

Белковые продукты гомеозисных генов принадлежат к особому классу белков — транскрипционным факторам, которые связываются с ДНК и регулируют транскрипцию генов. Последовательность гомеобокса состоит из 60 остатков аминокислот и образует структуру спираль-поворот-спираль, известную как гомеодомен. У дрозофилы белковый продукт гомеозисного гена Antennapedia активирует гены, которые определяют структуру второго грудного сегмента, содержащего ноги и крылья, и репрессирует гены, вовлеченные в формирование глаз и антенн.^[6] Гены, которые регулируются белками, содержащими гомеобокс, называют реализаторными генами, и они являются белковыми продуктами генов полярности сегментов, которые кодируют ткане- и органо-специфичные белки.

Энхансерные последовательности, которые связываются гомеодоменом

Последовательность ДНК, с которой связывается гомеодомен, содержит последовательность нуклеотидов TAAT на 5' конце, причем T наиболее важна для связывания.^[7] Данная последовательность нуклеотидов консервативна практически во всех сайтах связывания гомеодомена. Так как многие белки, содержащие гомеодомен имеют одинаковые сайты узнавания, пары оснований, следующие за этой инициаторной последовательностью, используются для того, чтобы различать эти белки. Например, последовательность нуклеотидов после TAAT, распознается девятой аминокислотой белка, содержащего гомеодомен. Белок материнского эффекта Bicoid, содержит остаток лизина в данном положении, который служит для узнавания и связывания гуанина. В белке Antennapedia, в данном положении находится глутамин, который распознает и связывается с аденином. Если остаток лизина в белке Bicoid заменить на глутамин, измененный белок будет распознавать Antennapedia-подобные энхансерные сайты.^[8][9]

Регуляция Hox-генов

Гомеозисные гены регулируют работу реализаторных генов, и, в свою очередь, регулируются генами gap и pair-rule, которые находятся под контролем мРНК материнского эффекта. В результате этого образуется каскад транскрипционных факторов: гены материнского эффекта включают гены gap и pair-rule genes; гены gap и pair-rule включают гомеозисные гены; наконец, гомеозисные гены включают реализаторные гены, которые приводят к сегментации и дифференцировке зародыша.

Такая регуляция осуществляется градиентами концентрации белков-морфогенов. Высокая концентрация одного из материнских белков и низкая - других, включает определенный набор генов gap и pair-rule genes. У мух, вторая полоска эмбриона активируется материнскими белками Bicoid и Hunchback, и репрессируется белками gap Giant и Kruppel. ^[10].

Молекулы микроРНК в hox-кластерах сильнее ингибируют передние гомеозисные гены вероятно, для более точной регуляции их экспрессии.^[11]

Некодирующие РНК (ncRNA) широко распространены в кластерах гомеозисных генов. У человека может существовать до 231 ncRNA. Один из них, HOTAIR, снижает уровень транскрипции гомеозисных генов (транскрибируется с кластера HOXC и ингибирует поздние HOXD гены), связываясь с белками группы Polycomb (PRC2).^[12]

Структура хроматина необходима для транскрипции, но также требуется выпетливание хромосомных территорий, на которых располагается кластер.^[13] Количественная ПЦР показала некоторые закономерности колинеарности: система находится в равновесии и общее количество транскриптов зависит от количества генов, представленных в линейной последовательности.^[14]

Гомеозисные мутации

Ошибки экспрессии гомеозисных генов приводят к крупным изменениям в морфологии индивида. Гомеозисные мутации впервые были описаны в 1894 году Уильямом Бейтсоном, который описал появление тычинок на месте лепестков.

В конце 1940х годов на модельном объекте Drosophila melanogaster Эдвард Льюис изучал гомеозисные мутации, которые приводили к формированию причудливых органов. Мутации в генах, участвующих в развитии конечности, могут приводить к уродствам или даже к смерти. Например, мутации в гене Antennapedia приводят к образованию конечностей на голове мухи на месте антенн.^[15]

Другим известным примером у дрозофилы является мутация в гомеозисном гене Ultrabithorax, который определяет развитие третьего грудного сегмента. Обычно на данном сегменте представлена пара ног и пара гальтер (редуцированных крыльев). У мутантных особей, которые не имеют функционального белка Ultrabithorax, на третьем сегменте образуются такие же структуры, как на втором грудном сегменте, который несёт пару конечностей и пару полностью развитых крыльев. Такие мутанты иногда встречаются в диких популяциях дрозофил, и изучение таких мутантов привело к открытию гомеозисных генов.

Колинеарность

Гомеозисные гены в составе хромосом располагаются очень близко друг к другу, образуя при этом кластеры.

Классификация

В различных таксонах гомеозисным генам были даны разные названия, что привело к путанице в номенклатуре. В случае некоторых первичноротых (Ecdysozoa — членистоногих, нематод) гомеозисные гены составляют два кластера Antennapedia и Bithorax, которые вместе называют HOM-C (Гомеозисный комплекс, Homeotic Complex). В случае вторичноротых (иглокожих, хордовых) гомеозисные гены называют Hox-генами и выделают четыре кластера: Hoxa, Hoxb, Hoxc, и Hoxd. У первичноротых гомезисные гены также часто называют Hox-генами, хотя это и не вполне верно.

Филогения гомеозисных генов

У Ecdysozoa существует около десяти гомеозисных генов. Позвоночные имеют четыре набора паралогов этих десяти генов Hoxa, Hoxb, Hoxc, и Hoxd. Эти кластеры паралогов образовались в результате двух дупликаций геномов позвоночных.^[16]

Обе дупликации произошли после того, как от общего ствола с позвоночными отделились предки ланцетников и оболочников, и до того, как разделились эволюционные линии млекопитающих и хрящевых рыб. Вероятнее всего, первая дупликация произошли незадолго до разделения линий бесчелюстных и челюстноротых, а второе - вскоре после этого (разделение этих линий, вероятно, произошло около 530 млн лет назад).^[17]

(См. илл. по ссылке. Стрелки представляют собой гомеозисные гены в составе хромосомы. Нижняя линия представляет собой десять гомеозисных генов, представленных у большинства беспозвоночных и у предков позвоночных. Четыре линии сверху представляют четыре дуплицированных кластера этих десяти генов у позвоночных. Слева направо (в передне-заднем направлении) это гены labial, proboscipedia, zerknullt, Deformed, Sex combs reduced, fushi tarazu,Antennapedia, Ultrabithorax, Abdominal-A and Abdominal B. Стрелки одного цвета представляют собой гены, которые произошли от одного предкового гена.)

Хотя гомеозисные гены позвоночных являются копиями генов Ecdysozoa, эти копии не идентичны. В результате накопления мутаций в течение длительного промежутка времени, белки выполняют различные функции. У разных групп позвоночных некоторые гены утрачены или дуплицированы.

Hoxa и Hoxd определяют развитие конечности. Экспрессия Hox в конечности имеет две стадии — на первой развивается собственно конечность, на более поздней работают Hoxd 8 — 13 и образуются пальцы, при этом задействована отдельная регуляторная область на 5’ конце гена Hoxd 13, который не встречается у Teleostei.^[18]

История

На важное значение мутаций в гомеозисных генах для развития теории наследственности впервые указал автор этого термина Уильям Бэтсон в 1894 году. В 1920-е годы изучением гомеозисных мутаций (в том числе на дрозофиле) занималась ученица С.С. Четверикова Е. И. Балкашина. Балкашина описала мутацию aristopedia у дрозофилы и установила параллелизм явлений гомеозиса при регенерации и при мутировании гомеозисных генов, а также картировала три известных в то время гомеозисных гена дрозофилы.

Эдвард Льюис в 1948 году начал систематическое изучение гомеозисных генов, управляющих развитием имагинальных дисков личинки в органы имаго. Льюис обнаружил колинеарность в пространстве между порядком расположения генов комплекса bithorax в хромосоме и порядком расположения имагинальных дисков (сегментов), за развитие которых они отвечают, вдоль передне-задней оси тела.

Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус классифицировали 15 генов, определяющих строение тела и образование сегментов у Drosophila melanogaster. Исследователи получили Нобелевскую премию по медицине в 1995 году.

Подробное рассмотрение темы: на сайте Нобелевского комитета

См. также

• Гомеобокс
• Гомеозис
• Морфогенез

↑ Показывать компактно