Homeotické geny

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 15. září 2021; kontroly vyžadují 7 úprav .

Homeotické geny  (neboli homeotické geny ) - geny , které určují procesy růstu a diferenciace v těle. Homeotické geny kódují transkripční faktory , které řídí programy pro tvorbu orgánů a tkání [1] .

Mutace v homeotických genech mohou způsobit změnu jedné části těla v jinou. Homeotičtí mutanti jsou ty organismy, ve kterých se místo orgánu vyvíjí orgán jiného typu. Například u Drosophila , když je anténapedie zmutována, se na místě antény vytvoří končetina .

Homeotické geny řídí práci jiných genů a určují proměnu navenek nerozlišitelných částí embrya nebo určitého orgánu (tkáně, části těla). Homeotické geny řídí zejména výskyt rozdílů v segmentech mnohobuněčných živočichů v časném embryonálním vývoji. U hmyzu hrají homeotické geny klíčovou roli při určování strukturních znaků embryonálních segmentů a struktur na nich (nohy, tykadla, křídla, oči).

Homeotické geny zvířat patří do rodiny Hox-genů . Ne všechny geny této rodiny jsou však homeotické. V Drosophila tedy geny Hox komplexu Antennapedia zahrnují geny zerknullt, zerknullt2, bicoid a fushi tarazu, které nejsou homeotické. [2]

Existuje také rodina genů ParaHox . V lidském genomu je šest ParaHox genů (GSX1, GSX2, PDX1 , CDX1 , CDX2 , CDX4 ), z nichž tři geny (GSX1, PDX1 (=IPF1), CDX2) tvoří shluk na 13. chromozomu [3] .

U rostlin jsou také známy procesy, které jsou řízeny homeotickými geny: fylotaxe, vývoj květů a květenství.

Zvířata

Homeobox

Homeotické geny obsahují homeobox - sekvenci 180  párů bází DNA , která tvoří homeodoménu v kódovaném proteinu .

Homeo doména byla poprvé objevena ve složení genů řídících vývoj, a zejména ve složení homeotických genů, u Drosophila. Mnoho genů obsahujících homeobox však není homeotických. Homeobox je tedy specifická sekvence nukleotidů, zatímco homeóza je potenciál pro vznik homeotické mutace. [čtyři]

Nukleotidová sekvence v homeoboxu je vysoce konzervovaná. Funkční ekvivalenci homeotických proteinů lze prokázat tím, že vývoj mouchy s odpovídajícími kuřecími homeotickými geny probíhá normálně. [5] Přestože společný předek kuřete a mouchy existoval asi před 670 miliony let, [6] homeotické geny kuřat jsou podobné genům much do té míry, že se mohou navzájem nahradit.

Kvůli degeneraci genetického kódu je sekvence aminokyselinových zbytků v proteinech konzervativnější než sekvence nukleotidů v DNA, protože různé kodony mohou kódovat jednu aminokyselinu . Jediná mutace v DNA homeotických genů může vést k nápadným změnám v organismu (viz homeotické mutace ).

Homeodoména

Proteinové produkty homeotických genů patří do speciální třídy proteinů nazývaných transkripční faktory , které se vážou na DNA a regulují genovou transkripci . Homeodoménová sekvence se skládá z 60 aminokyselinových zbytků. U Drosophila proteinový produkt homeotického genu Antennapedia aktivuje geny, které určují strukturu druhého hrudního segmentu obsahujícího nohy a křídla, a potlačuje geny podílející se na tvorbě očí a tykadel. [7] Geny, které jsou regulovány proteiny obsahujícími homeobox, se nazývají realizační geny a jsou to proteinové produkty genů polarity segmentů, které kódují tkáňově a orgánově specifické proteiny.

Enhancer sekvence, které se vážou k homeodoméně

Sekvence DNA, na kterou se homeodoména váže, obsahuje nukleotidovou sekvenci TAATna 5' konci a Tje nejdůležitější pro vazbu. [8] Tato nukleotidová sekvence je zachována téměř ve všech vazebných místech homeodomény . Protože mnoho proteinů obsahujících homeodoménu má stejná rozpoznávací místa, páry bází následující po této iniciační sekvenci se používají k rozlišení mezi těmito proteiny. Například nukleotidová sekvence je pak TAATrozpoznána devátou aminokyselinou proteinu obsahujícího homeodoménu. Protein kódovaný genem pro mateřský efekt, Bicoid , obsahuje v této poloze lysinový zbytek , který slouží k rozpoznání a navázání guaninu . V proteinu Antennapedia tato pozice obsahuje glutamin , který rozpoznává a váže se na adenin . Pokud je lysinový zbytek v bikoidním proteinu nahrazen glutaminem, bude změněný protein rozpoznávat místa zesilovače specifická pro Antennapedia. [9] [10]

Hox geny

Hox geny se nacházejí na jednom nebo několika (až čtyřech) chromozomech, obvykle v úzkých skupinách (klastrech), ve kterých je zachován více či méně striktní řád: geny „hlavy“ jsou vpředu, geny „ocasu“ jsou vzadu. . U primitivnějších zástupců mnohobuněčných organismů, jako jsou ctenophores (Ctenophora) a coelenterates (Cnidaria), jsou tyto embryonální regulační geny pouze čtyři, u savců již 48.

Rodina genů Hox je rozdělena do 14 tříd. Předpokládá se, že těchto 14 tříd vzniklo duplikací jednoho nebo několika původních genů, repliky pak mutují a přebírají nové funkce. Primitivní koelenteráty a ctenofory mají pouze 4 třídy genů Hox, domnělý společný předek bilaterálně symetrických zvířat jich měl mít alespoň 8 a všech 14 tříd je přítomno u savců. Princip fungování těchto genů je stejný. Jejich produkty jsou transkripční faktory, jejichž funkcí je „zapnout“ nebo „vypnout“ jiné geny. V důsledku práce Hox faktorů se spustí kaskáda reakcí, které vedou k objevení se potřebných proteinů v buňce.

Za poslední desetiletí byly sekvence DNA genů Hox dešifrovány u mnoha skupin zvířat: kroužkovců, ploštěnek, ostnokožců, hlístic, členovců, pláštěnců, kopinatců, nemluvě o savcích.

Nařízení

Homeotické geny regulují práci implementorových genů a naopak jsou regulovány geny pro mezeru a párové pravidlo , které jsou pod kontrolou morfogenních proteinů řady genů pro mateřský efekt . To má za následek kaskádu transkripčních faktorů : geny pro mateřský efekt zahrnují geny mezery a párového pravidla; geny pro mezeru a párové pravidlo zahrnují homeotické geny; konečně homeotické geny zahrnují realizační geny, které vedou k segmentaci a diferenciaci embrya.

Taková regulace se provádí koncentračními gradienty morfogenních proteinů. Vysoká koncentrace jednoho z mateřských proteinů a nízká koncentrace ostatních zahrnuje určitou sadu genů pro mezeru a párové pravidlo. U much je druhý pruh exprese genu sudého embrya aktivován mateřskými proteiny Bicoid a Hrbáč a potlačován proteiny gap Giant a Kruppel [11] .

MikroRNA molekuly v hox klastrech silněji inhibují přední homeotické geny, pravděpodobně pro přesnější regulaci jejich exprese. [12]

Nekódující RNA (ncRNA) jsou široce distribuovány v homeotických genových shlucích . Jeden z nekódujících genů RNA u lidí, HOTAIR, snižuje úroveň transkripce homeotických genů (přepisuje se z klastru HOXC a inhibuje pozdní geny HOXD) vazbou na proteiny skupiny Polycomb (PRC2). [13]

Struktura chromatinu je nezbytná pro transkripci , ale vyžaduje se také smyčkování z oblastí chromozomů, kde se shluk nachází. [14] Kvantitativní PCR ukázala některé vzorce kolinearity: systém je v rovnováze a celkový počet transkriptů závisí na počtu genů prezentovaných v lineární sekvenci. [patnáct]

Homeotické mutace

Chyby v expresi homeotických genů vedou k velkým změnám v morfologii jedince. Homeotické mutace byly poprvé popsány v roce 1894 Williamem Batsonem , který popsal vzhled tyčinek místo okvětních lístků.

Na konci 40. let v modelové rostlině Drosophila melanogaster Edward Lewis studoval homeotické mutace, které vedly k vytvoření bizarních orgánů. Mutace v genech podílejících se na vývoji končetiny mohou vést k deformaci nebo dokonce smrti. Například mutace v genu Antennapedia vedou k vytvoření končetin na hlavě mouchy v místě tykadel. [16]

Dalším dobře známým příkladem u Drosophila je mutace v homeotickém genu Ultrabithorax , který určuje vývoj třetího hrudního segmentu. Obvykle má tento segment pár nohou a pár halterů (snížená křídla). U mutantů, kteří nemají funkční protein Ultrabithorax, třetí segment vyvíjí stejné struktury jako druhý hrudní segment, který nese pár končetin a pár plně vyvinutých křídel. Takoví mutanti se někdy vyskytují v divokých populacích ovocných mušek a studium takových mutantů vedlo k objevu genů homeotických zvířat.

Kolinearita

Homeotické geny v chromozomech mnoha zvířat jsou umístěny velmi blízko sebe a tvoří shluky. Současně je u Drosophila pozorována kolinearita - sekvence genů na chromozomu odpovídá sekvenci jejich exprese podél předozadní osy těla.

Klasifikace

Homeotickým genům v různých taxonech byla dána různá jména, což vedlo ke zmatkům v názvosloví. V případě některých prvoků ( Ecdysozoa  - členovci, hlístice) tvoří homeotické geny dva shluky Antennapedia a Bithorax , které se společně nazývají HOM-C (Homeotic Complex). V případě deuterostomů (ostnokožci, strunatci) se homeotické geny nazývají geny Hox a existují čtyři shluky: Hoxa, Hoxb, Hoxc a Hoxd. U protostomů jsou geny gomesis také často označovány jako geny Hox, i když to není zcela správné.

Fylogeneze homeotických genů

V Ecdysozoa je asi deset homeotických genů . Obratlovci mají čtyři sady paralogů deseti genů Hoxa, Hoxb, Hoxc a Hoxd. Tyto shluky paralogů byly vytvořeny jako výsledek dvou duplikací genomů obratlovců. [17]

K oběma duplikacím došlo poté, co se předci kopinatců a pláštěnců oddělili od společného kmene s obratlovci, a než se oddělily evoluční linie savců a chrupavčitých ryb. S největší pravděpodobností k první duplikaci došlo krátce před oddělením bezčelisťových a gnathostomických linií a ke druhé krátce poté (k oddělení těchto linií došlo pravděpodobně asi před 530 miliony let). [osmnáct]

Ačkoli homeotické geny obratlovců jsou kopiemi genů Ecdysozoa , tyto kopie nejsou totožné. V důsledku akumulace mutací v průběhu času plní proteiny různé funkce. U různých skupin obratlovců dochází ke ztrátě nebo duplikaci některých genů.

Hoxa a Hoxd určují vývoj končetin. Exprese Hox v končetině má dvě fáze - nejprve se vyvíjí samotná končetina, v pozdější fázi pracuje Hoxd 8 - 13 a tvoří se prsty, přičemž na 5'-konci Hoxd 13 je zapojena samostatná regulační oblast. gen, který se v Teleostei nenachází . [19]

Historie

Na důležitost mutací v homeotických genech pro rozvoj teorie dědičnosti poprvé poukázal autor tohoto termínu William Batson v roce 1894. Ve 20. letech 20. století student S. S. Chetverikova , E. I. Balkashina , studoval homeotické mutace (včetně Drosophila ) . Balkashina popsal mutaci aristopedie u Drosophila a stanovil paralelismus jevů homeózy při regeneraci a mutaci homeotických genů a také zmapoval tři homeotické geny Drosophila známé v té době.

Edward Lewis v roce 1948 zahájil systematickou studii homeotických genů, které řídí vývoj imaginárních larválních plotének do dospělých orgánů . Lewis objevil kolinearitu v prostoru mezi pořadím genů bithoraxového komplexu v chromozomu a pořadím imaginárních disků (segmentů), za jejichž vývoj jsou zodpovědné, podél předozadní osy těla.

Christiane Nüsslein-Volhard a Eric Wieschaus klasifikovali 15 genů, které určují stavbu těla a tvorbu segmentů u Drosophila melanogaster . V roce 1995 dostali vědci Nobelovu cenu za medicínu.

V lednu 2013 provedli španělští vědci experiment za účelem zavedení genu hoxd13 , který je zodpovědný za vývoj končetin pro pohyb na souši, vypůjčeného od myší do genotypu zebrafish. Ryby samotné mají podobný gen, ale nevykazuje dostatečnou aktivitu pro vývoj tlapek. Výsledkem experimentu bylo, že ryby místo ploutví dostaly základy končetin, které mohly zajistit pohyb na zemi. [dvacet]

V rostlinách

Exprese genů, které regulují vývoj rostlin, je řízena vnitřními a vnějšími faktory. Mezi vnitřní faktory ovlivňující jejich činnost patří hormony , sacharóza a některé minerální prvky, vnějšími faktory jsou teplota a světlo. Důležitou roli v regulaci procesů diferenciace a vývoje mají geny, které obsahují promotory citlivé a specifické pro fytohormony a faktory prostředí, jako je světlo a teplota. Promotory mnoha genů, jejichž aktivita je regulována fytohormony, obsahují transkripční prvky, které určují hormonální specifičnost růstových reakcí rostlin.

V současné době byly identifikovány klíčové geny, které řídí embryogenezi , stárnutí a fotomorfogenezi, regulují fungování apikálních, laterálních a květinových meristémů a jsou zodpovědné za tvorbu kořenů, listů a cév. Nejlépe je prozkoumána exprese genů regulujících vývoj květů. Na základě aktuálně dostupných genetických informací, matematického aparátu a počítačových programů bylo možné budovat tzv. genetické regulační sítě, které nám umožňují vyhodnocovat celé spektrum interakcí mezi různými regulačními geny v procesu diferenciace buněk a tvorby rostlinných orgánů. . Jednotlivé prvky těchto sítí jsou schopny řídit několik procesů v různých fázích vývoje. Mutace postihující různé oblasti stejného regulačního genu se proto mohou lišit ve svém fenotypovém projevu.

U vyšších rostlin bylo nejlépe prozkoumáno fungování dvou typů vývojových regulačních genů: geny obsahující homeobox a geny MADS-box .

Homeobox geny

Geny obsahující homeobox jsou identifikovány přítomností charakteristické sekvence DNA o přibližně 180 párech bází (homeobox) kódující homeodoménu ,  konzervovanou oblast řady transkripčních faktorů. Tato nukleotidová sekvence je typická pro geny kaskádového typu vývojové regulace.

Kukuřice KNOTTED1 (KN1) byl první klonovaný rostlinný gen kódující protein obsahující homeodoménu. Zauzlená 1 mutace způsobuje, že gen KN1 je exprimován ve špatnou dobu a na nesprávném místě. U mutantů kn1 se kolem již diferencovaných listových buněk objevují skupiny buněk, které se stále dělí. Skupiny dělících se buněk umístěných podél cévních elementů v celé listové čepeli tvoří tzv. uzly (uzlíky). Později byla objevena celá rodina genů podobných KN1, nazvaná KNOX (KNOTTED1-like HOMEOBOX). Nadměrná exprese genů rodiny KNOX také narušuje vývoj listů.

Mezi rostlinnými geny KNOX byla nejdůkladněji prostudována velká skupina podílející se na regulaci aktivity apikálního meristému výhonků a vývoje listů: KN1 a RS1 u kukuřice, KNAT1, KNAT2 a STM u Arabidopsis thaliana , HvKNOX3 u ječmene a OSH1 v rýži. Geny KN1, STM a jejich funkční analogy jsou zodpovědné za udržování dělení buněk meristémů a potlačují jejich další diferenciaci. Tyto geny jsou exprimovány v apikálních meristémech výhonků stejně jako v květinových meristémech.

Geny obsahující pole MADS

Termín "MADS-box" je odvozen od iniciál čtyř genů: kvasinky MCM1, Arabidopsis AG, snapdragon DEF a savčí SRF. Mezi geny obsahující MADS box patří zejména AG ( AGAMOUS ), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) a AP3 (APETALA3), TFL1 (TERMINAL FLOWER), PI (PISTILLATA). Geny tohoto typu regulují florigenezi a určují osud buněk ve vajíčku; jejich exprese byla nalezena v embryu, kořenech a listech. Geny boxu MADS zahrnují většinu rostlinných homeotických genů, zejména geny pro identitu květních orgánů. Předpokládá se, že vznik nových orgánů v procesu progresivní evoluce rostlin, například vajíček a semen, byl doprovázen vznikem nových podrodin genů boxu MADS.

Transkripční faktory

Přímou kontrolu nad vývojem rostlinných orgánů a tkání provádějí transkripční faktory (TF), proteiny, které po přesunu do buněčného jádra regulují transkripci specifickou interakcí s DNA nebo s jinými proteiny, které mohou tvořit komplex protein-DNA.

Viz také

Literatura

  • Lutova L. A., Provorov N. A., Tikhodeev O. N., Tikhonovič I. A., Khodzhayova L. T., Shishkova S. O. Genetics of plant development / Ed. Člen korespondent RAS S. G. Inge-Vechtomová. - Petrohrad: Nauka, 2000. - 539 s.
  • Korochkin L. I., Yankovsky N. K., Gvozdev V. A., Gaponenko A. K., Limborskaya S. A. Genom, klonování, lidský původ / Ed. Člen korespondent RAS L. I. Korochkina. - Fryazino: Věk 2, 2003. - 224 s.
  • Medveděv S. S., Sharova E. I. Genetická a epigenetická regulace vývoje rostlinných organismů (recenze) / Journal of Siberian Federal University. Biologie 2 (2010-3).
  • Lewin. geny VII. — 7. - New York: Oxford University Press, 2002. - S. 960. - 990 s. — ISBN 0-19-879276-X .

Poznámky

  1. ↑ Wang, X. a Müller, WE (2016). Molekulární morfogeneze: Vzorce genové exprese u zvířat. Recenze v buněčné biologii a molekulární medicíně. 2:1–41 doi : 10.1002/3527600906.mcb.200500041.pub2
  2. ↑ shatal.pmd Archivováno 10. ledna 2005 na Wayback Machine
  3. ↑ Ferrier DE , Dewar K. , Cook A. , Chang JL , Hill-Force A. , Amemiya C. Shluk strunatců ParaHox.  (anglicky)  // Současná biologie : CB. - 2005. - Sv. 15, č. 20 . - S. 820-822. - doi : 10.1016/j.cub.2005.10.014 . — PMID 16243016 .
  4. ↑ Burglin, T. (2005). Stránka Homebox. http://www.cbt.ki.se/groups/tbu/homeo.html#Structure%20of%20the%20homeodoména Archivováno 11. září 2011 na Wayback Machine
  5. ↑ Lutz, B.; H. C. Lu, G. Eichele, D. Miller a T. C. Kaufman. Záchrana Drosophila labial null mutant kuřecím ortologem Hoxb-1 ukazuje, že funkce Hox genů je fylogeneticky konzervovaná  // Genes & Development  : journal  . - 1996. - Sv. 10 . - S. 176-184 . — PMID 8566751 .
  6. ↑ Ayala, FJ; A. Rzhetskydagger.  Původ metazoa phyla : Molekulární hodiny potvrzují paleontologické odhady  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 1998. - 20. ledna ( roč. 95 , č. 2 ). - S. 606-611 . — PMID 9435239 .
  7. ↑ Cesares a Mann 1998; Plaza et al 2001
  8. ↑ Scott F. Gilbert. Vývojová biologie . — Osmé vydání. - Sinauer Associates Inc., 2006. - 785 s. — ISBN 087893250X .
  9. ↑ Hanes SD , Brent R. Specifičnost DNA bikoidního aktivátorového proteinu je určena zbytkem helixu rozpoznávajícího homeodoménu 9.  //  Buňka. - 1989. - Sv. 57, č.p. 7 . - S. 1275-1283. — PMID 2500253 .
  10. ↑ Hanes SD , Brent R. Genetický model interakce helixu rozpoznávajícího homeodoménu s DNA.  (anglicky)  // Věda (New York, NY). - 1991. - Sv. 251, č.p. 4992 . - S. 426-430. — PMID 1671176 .
  11. ↑ Small S. , Blair A. , ​​Levine M. Regulace sudého přeskočeného pruhu 2 v embryu Drosophila.  (anglicky)  // The EMBO journal. - 1992. - Sv. 11, č. 11 . - S. 4047-4057. — PMID 1327756 .
  12. ↑ Lempradl A. , Ringrose L. Jak nekódující transkripce reguluje Hox geny?  (anglicky)  // BioEssays: novinky a recenze v molekulární, buněčné a vývojové biologii. - 2008. - Sv. 30, č. 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 Funkční vymezení aktivních a tichých chromatinových domén v lidských HOX lokusech nekódováním RNA.  (anglicky)  // Cell. - 2007. - Sv. 129, č.p. 7 . - S. 1311-1323. - doi : 10.1016/j.cell.2007.05.022 . — PMID 17604720 .
  14. ↑ Fraser P, Bickmore W. Nukleární organizace genomu a potenciál pro genovou regulaci   // Příroda . - 2007. - Sv. 447 , č.p. 7143 . - S. 413-7 . — PMID 17522674 .
  15. ↑ Montavon T. , Le Garrec JF , Kerszberg M. , Duboule D. Modelování regulace genu Hox v číslicích: reverzní kolinearita a molekulární původ palce.  (anglicky)  // Genes & development. - 2008. - Sv. 22, č. 3 . - S. 346-359. - doi : 10.1101/gad.1631708 . — PMID 18245448 .
  16. ↑ Pierce, Benjamin A. Genetics: A Conceptual approach. 2. vydání . — W. H. Freeman; 2. vydání, 2004. - 832 s. — ISBN 071678881.
  17. ↑ Dehal P. , Boore JL Dvě kola duplikace celého genomu u rodového obratlovce.  (anglicky)  // Public Library of Science Biology. - 2005. - Sv. 3, č. 10 . - P. e314. - doi : 10.1371/journal.pbio.0030314 . — PMID 16128622 .
  18. ↑ Elements Science News: Genom Lancelet pomáhá odhalit tajemství evolučního úspěchu obratlovců . Získáno 10. května 2009. Archivováno z originálu dne 23. června 2013.
  19. ↑ Deschamps J. Ancestral a nedávno přijatá globální kontrola nad Hox geny ve vývoji.  (anglicky)  // Současný názor v genetice a vývoji. - 2007. - Sv. 17, č. 5 . - S. 422-427. - doi : 10.1016/j.gde.2007.07.008 . — PMID 17870464 .
  20. ↑ Archivovaná kopie (odkaz není dostupný) . Datum přístupu: 29. ledna 2013. Archivováno z originálu 25. ledna 2013.   Přeměnu ploutví na tlapky pro chůzi po souši nyní prokázali v laboratoři: španělští vědci vypěstovali u zebřiček základy končetin.
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie