Homeotikus gének (vagy homeotikus gének ) - olyan gének , amelyek meghatározzák a növekedési és differenciálódási folyamatokat a szervezetben. A homeotikus gének olyan transzkripciós faktorokat kódolnak , amelyek szabályozzák a szervek és szövetek kialakulásának programjait [1] .
A homeotikus gének mutációi a test egyik részének átváltozását okozhatják. A homeotikus mutánsok azok az organizmusok, amelyekben egy szerv helyett más típusú szerv fejlődik ki. Például Drosophilában , amikor az antennapedia mutálódik , egy végtag képződik az antenna helyén .
A homeotikus gének irányítják más gének munkáját, és meghatározzák az embrió vagy egy bizonyos szerv (szövet, testrész) külsőleg megkülönböztethetetlen részeinek átalakulását. Különösen a homeotikus gének szabályozzák a korai embrionális fejlődés során a többsejtű állatok szegmensei közötti különbségek előfordulását. A rovaroknál a homeotikus gének kulcsszerepet játszanak az embrionális szegmensek és a rajtuk lévő struktúrák (lábak, antennák, szárnyak, szemek) szerkezeti jellemzőinek meghatározásában.
Az állatok homeotikus génjei a Hox-gének családjába tartoznak . Ennek a családnak azonban nem minden génje homeotikus. Így Drosophilában az Antennapedia komplex Hox génjei közé tartoznak a zerknullt, zerknullt2, bicoid és fushi tarazu gének, amelyek nem homeotikusak. [2]
Létezik a ParaHox géncsalád is . Az emberi genomban hat ParaHox gén található (GSX1, GSX2, PDX1 , CDX1 , CDX2 , CDX4 ), amelyek közül három gén (GSX1, PDX1 (=IPF1), CDX2) alkot klasztert a 13-as kromoszómán [3] .
A növényekben olyan folyamatok is ismertek, amelyeket homeotikus gének irányítanak: filotaxis, virágok és virágzat fejlődése.
A homeotikus gének tartalmaznak egy homeoboxot – egy 180 DNS- bázispárból álló szekvenciát , amely homeodomént képez a kódolt fehérjében .
A homeo domént először a fejlődést irányító gének összetételében, és különösen a homeotikus gének összetételében fedezték fel Drosophilában. Azonban sok homeoboxot tartalmazó gén nem homeotikus. Így a homeobox egy specifikus nukleotidszekvencia, míg a homeózis egy homeotikus mutáció kialakulásának lehetősége. [négy]
A homeobox nukleotidszekvenciája erősen konzervált. A homeotikus fehérjék funkcionális egyenértékűsége igazolható azzal, hogy a légy fejlődése a megfelelő csirke homeotikus génekkel normálisan megy végbe. [5] Bár a csirke és a légy közös őse körülbelül 670 millió évvel ezelőtt létezett, [6] a csirkék homeotikus génjei annyiban hasonlítanak a legyekéhez, hogy helyettesíthetik egymást.
A genetikai kód degeneráltsága miatt a fehérjék aminosav-szekvenciája konzervatívabb, mint a DNS-ben lévő nukleotidok sorrendje, mivel egy aminosavat különböző kodonok kódolhatnak . A homeotikus gének DNS-ének egyetlen mutációja feltűnő változásokhoz vezethet egy szervezetben (lásd: homeotikus mutációk ).
A homeotikus gének fehérjetermékei a fehérjék egy speciális osztályába tartoznak, az úgynevezett transzkripciós faktorok , amelyek a DNS - hez kötődnek és szabályozzák a géntranszkripciót . A homeodomén szekvencia 60 aminosavból áll. A Drosophilában az Antennapedia homeotikus gén fehérjeterméke aktiválja azokat a géneket, amelyek meghatározzák a lábakat és szárnyakat tartalmazó második mellkasi szegmens szerkezetét, és elnyomja a szemek és antennák kialakulásában szerepet játszó géneket. [7] A homeobox-tartalmú fehérjék által szabályozott géneket realizáló géneknek nevezzük, és a szövet- és szervspecifikus fehérjéket kódoló szegmenspolaritású gének fehérjetermékei.
Enhancer szekvenciák, amelyek a homeodomainhez kötődnekTAATA DNS-szekvencia, amelyhez a homeodomén kötődik , az 5'- végen tartalmazza a nukleotidszekvenciát , és Ta kötődés szempontjából a legfontosabb. [8] Ez a nukleotidszekvencia szinte minden homeodomén kötőhelyen konzervált . Mivel sok homeodomént tartalmazó fehérje ugyanazokkal a felismerő helyekkel rendelkezik, az ezen iniciátor szekvenciát követő bázispárokat használják a fehérjék megkülönböztetésére. Például a nukleotidszekvenciát TAATa homeodomént tartalmazó fehérje kilencedik aminosava ismeri fel. Az anyai hatásgén , a Bicoid által kódolt fehérje ezen a helyen egy lizin-maradékot tartalmaz, amely a guanin felismerésére és megkötésére szolgál . Az Antennapedia fehérjében ez a pozíció glutamint tartalmaz , amely felismeri és megköti az adenint . Ha a Bicoid fehérjében lévő lizint glutaminnal helyettesítjük, a megváltozott fehérje felismeri az Antennapedia-specifikus fokozó helyeket. [9] [10]
A Hox gének egy vagy több (legfeljebb négy) kromoszómán helyezkednek el, általában szoros csoportokban (klaszterekben), amelyeken belül egy többé-kevésbé szigorú rend őrződik meg: a „fej” gének elől, a „farok” gének mögött. . A többsejtű szervezetek primitívebb képviselőiben, például a ctenoforokban (Ctenophora) és a coelenteratesben (Cnidaria) ezekből az embrionális szabályozó génekből csak négy található, emlősökben már 48.
A Hox géncsalád 14 osztályra oszlik. Úgy gondolják, hogy ez a 14 osztály egy vagy néhány eredeti gén megkettőzésével jött létre, majd a replikák mutálódnak és új funkciókat kapnak. A primitív koelenterátusok és ctenoforok csak 4 Hox-génosztályt tartalmaznak, a kétoldali szimmetrikus állatok feltételezett közös ősének legalább 8-nak kellett volna lennie, és mind a 14 osztály jelen van az emlősökben. Ezeknek a géneknek a működési elve ugyanaz. Termékeik olyan transzkripciós faktorok, amelyek funkciója más gének "bekapcsolása" vagy "kikapcsolása". A Hox faktorok munkájának eredményeként a reakciók kaszkádja indul be, ami a szükséges fehérjék megjelenéséhez vezet a sejtben.
Az elmúlt évtizedben a Hox gének DNS -szekvenciáját számos állatcsoportban fejtették meg: annelidek, laposférgek, tüskésbőrűek, fonálférgek, ízeltlábúak, zsákállatok, lándzsák, az emlősökről nem is beszélve .
rendeletA homeotikus gének szabályozzák az implementor gének munkáját, és viszont a gap és pair-rule gének szabályozzák őket, amelyek számos anyai hatású gén morfogén fehérjéinek szabályozása alatt állnak . Ez a transzkripciós faktorok kaszkádját eredményezi : az anyai hatás gének közé tartoznak a gap és a pair-rule gének; a gap és pair-rule gének közé tartoznak a homeotikus gének; végül a homeotikus gének közé tartoznak a megvalósító gének, amelyek az embrió szegmentálásához és differenciálódásához vezetnek.
Az ilyen szabályozást a morfogén fehérjék koncentráció-gradiensei hajtják végre. Az egyik anyai fehérje magas koncentrációja, míg a többi fehérje alacsony koncentrációja bizonyos rés- és párszabály-géneket foglal magában. A legyekben az egyenletesen átugrott embriógén második expressziós sávját a Bicoid és Hunchback anyai fehérjék aktiválják, és a gap Giant és Kruppel fehérjék elnyomják [11] .
A hox klaszterekben található mikroRNS molekulák erősebben gátolják az elülső homeotikus géneket, valószínűleg expressziójuk pontosabb szabályozása érdekében. [12]
A nem kódoló RNS-ek (ncRNS-ek) széles körben elterjedtek a homeotikus génklaszterekben . Az emberben az egyik nem kódoló RNS-gén, a HOTAIR csökkenti a homeotikus gének transzkripciójának szintjét (a HOXC klaszterből íródik át, és gátolja a késői HOXD géneket) a Polycomb csoport fehérjéihez (PRC2) kötődve. [13]
A kromatin szerkezete nélkülözhetetlen a transzkripcióhoz , de ki kell lépni azokból a kromoszómákból, ahol a klaszter található. [14] A kvantitatív PCR néhány kollinearitási mintát mutatott: a rendszer egyensúlyban van, és a transzkriptumok teljes száma a lineáris szekvenciában bemutatott gének számától függ. [tizenöt]
A homeotikus gének expressziójának hibái az egyed morfológiájában jelentős változásokhoz vezetnek. A homeotikus mutációkat először 1894-ben William Batson írta le, aki leírta a porzók megjelenését a szirmok helyén.
Az 1940-es évek végén egy Drosophila melanogaster modellüzemben Edward Lewis olyan homeotikus mutációkat tanulmányozott, amelyek bizarr szervek kialakulásához vezettek. A végtagfejlődésben szerepet játszó gének mutációi deformációhoz vagy akár halálhoz is vezethetnek. Például az Antennapedia gén mutációi a légy fején végtagok kialakulásához vezetnek az antennák helyén. [16]
A Drosophila másik jól ismert példája az Ultrabithorax homeotikus gén mutációja , amely meghatározza a harmadik mellkasi szegmens kialakulását. Általában ennek a szegmensnek van egy pár lába és egy pár kötőfék (csökkentett szárnyak). Azokban a mutánsokban, amelyek nem rendelkeznek funkcionális Ultrabithorax fehérjével, a harmadik szegmens ugyanazokat a szerkezeteket fejleszti ki, mint a második mellkasi szegmens, amely egy pár végtagot és egy pár teljesen kifejlett szárnyat hordoz. Ilyen mutánsok néha megtalálhatók a gyümölcslegyek vadon élő populációiban, és az ilyen mutánsok tanulmányozása homeotikus állati gének felfedezéséhez vezetett.
Sok állat kromoszómájában a homeotikus gének nagyon közel helyezkednek el egymáshoz, és csoportokat alkotnak. Ugyanakkor a Drosophilában kollinearitás figyelhető meg - a kromoszómán lévő gének szekvenciája megfelel expressziójuk szekvenciájának a test elülső-hátulsó tengelye mentén.
A különböző taxonokban különböző neveket adtak a homeotikus géneknek, ami zavart okoz a nómenklatúrában. Egyes protosztómák ( Ecdysozoa - ízeltlábúak, fonálférgek) esetében a homeotikus gének két Antennapedia és Bithorax klasztert alkotnak , amelyek együttes elnevezése HOM-C (Homeotic Complex). A deuterostomák (tüskésbőrűek, chordátumok) esetében a homeotikus géneket Hox -géneknek nevezik, és négy klaszter van: Hoxa, Hoxb, Hoxc és Hoxd. A protosztómákban a gomesis géneket gyakran Hox-géneknek is nevezik, bár ez nem teljesen helyes.
Az Ecdysozoában körülbelül tíz homeotikus gén található. A gerinceseknek négy paralógkészlete van a Hoxa, Hoxb, Hoxc és Hoxd tíz génből. Ezek a paralógok klaszterei a gerincesek genomjainak két duplikációja eredményeként jöttek létre. [17]
Mindkét megkettőződés azután történt, hogy a lándzsa és zsákállatok ősei elváltak a gerincesekkel közös törzstől, és mielőtt az emlősök és a porcos halak evolúciós leszármazása elvált. Valószínűleg az első megkettőződés nem sokkal az állkapocs nélküli és a gnathostoma leszármazási vonalak szétválása előtt történt, a második pedig röviddel azután (e vonalak szétválása valószínűleg körülbelül 530 millió évvel ezelőtt történt). [tizennyolc]
Bár a gerinces homeotikus gének az Ecdysozoa gének másolatai, ezek a másolatok nem azonosak. A mutációk idővel történő felhalmozódása következtében a fehérjék különböző funkciókat látnak el. A gerincesek különböző csoportjaiban egyes gének elvesznek vagy megkettőződnek.
Hoxa és Hoxd meghatározzák a végtag fejlődését. A végtagban a Hox expressziónak két szakasza van - az első szakaszban maga a végtag fejlődik ki, a későbbi szakaszban a Hoxd 8-13 dolgozik és az ujjak képződnek, míg a Hoxd 13 5'-végén egy külön szabályozó régió vesz részt. gén, amely nem található meg a Teleostei -ben . [19]
A homeotikus gének mutációinak fontosságára az öröklődéselmélet kialakulásában először a kifejezés szerzője, William Batson mutatott rá 1894-ben. Az 1920-as években S. S. Chetverikov, E. I. Balkashina tanítványa homeotikus mutációkat tanulmányozott (beleértve a Drosophilát is) . Balkashina leírta a Drosophila arisztopédia mutációját és megállapította a homeózis jelenségeinek párhuzamosságát a homeotikus gének regenerációja és mutációja során, valamint feltérképezte a Drosophila akkor ismert három homeotikus génjét.
Edward Lewis 1948-ban elkezdte szisztematikus tanulmányozását azon homeotikus génekről, amelyek szabályozzák a képzeletbeli lárvakorongok felnőtt szervekké történő fejlődését . Lewis kollinearitást fedezett fel a térben a kromoszómában lévő bithorax komplex génjeinek sorrendje és az általuk felelős képzeletbeli korongok (szegmensek) sorrendje között, a test elülső-hátulsó tengelye mentén.
Christiane Nüsslein-Volhard és Eric Wieschaus 15 gént osztályozott, amelyek meghatározzák a Drosophila melanogaster testszerkezetét és szegmentumképzését . 1995-ben a kutatók megkapták az orvosi Nobel-díjat.
2013 januárjában spanyol tudósok kísérletet végeztek a hoxd13 génnek, amely a szárazföldi mozgáshoz szükséges végtagok fejlődéséért felelős, egerektől kölcsönzött zebrahal genotípusba való bejuttatására. Maguk a halak is rendelkeznek hasonló génnel, de nem mutat elegendő aktivitást a mancsok fejlődéséhez. A kísérlet eredményeként a halak az uszonyok helyett a földön mozgást biztosító végtagok alapjait kapták. [húsz]
A növények fejlődését szabályozó gének expresszióját belső és külső tényezők szabályozzák. Tevékenységüket befolyásoló belső tényezők közé tartoznak a hormonok , szacharóz és néhány ásványi elem, a külső tényezők pedig a hőmérséklet és a fény. A differenciálódási és fejlődési folyamatok szabályozásában fontos szerepet játszanak a fitohormonokra és környezeti tényezőkre, például fényre és hőmérsékletre érzékeny és specifikus promótereket tartalmazó gének . Számos olyan gén promótere, amelyek aktivitását fitohormonok szabályozzák, transzkripciós elemeket tartalmaznak, amelyek meghatározzák a növényi növekedési reakciók hormonális specifitását.
Jelenleg olyan kulcsgéneket azonosítottak, amelyek szabályozzák az embriogenezist , az öregedést és a fotomorfogenezist, szabályozzák az apikális, laterális és virágos merisztémák működését , és felelősek a gyökerek, levelek és erek kialakulásáért. A virágok fejlődését szabályozó gének kifejeződése a legjobban tanulmányozott. A jelenleg rendelkezésre álló genetikai információk, matematikai apparátusok és számítógépes programok alapján lehetővé vált az úgynevezett genetikai szabályozó hálózatok kiépítése, amelyek lehetővé teszik a különböző szabályozó gének közötti kölcsönhatások teljes spektrumának értékelését a sejtdifferenciálódás és a növényi szervek képződése során. . E hálózatok egyes elemei több folyamatot is képesek irányítani a fejlődés különböző szakaszaiban. Ezért az ugyanazon szabályozó gén különböző régióit érintő mutációk fenotípusos megnyilvánulása eltérő lehet.
A magasabb rendű növényekben kétféle fejlődésszabályozó gén működését tanulmányozták a legjobban: a homeobox-tartalmú és a MADS-box gének működését .
A homeobox-tartalmú géneket egy körülbelül 180 bázispárból álló jellegzetes DNS-szekvencia (homeobox) jelenléte azonosítja, amely a homeodomént kódolja , amely számos transzkripciós faktor konzervált régiója. Ez a nukleotidszekvencia a fejlődési szabályozás kaszkád típusú génjeire jellemző.
A kukorica KNOTTED1 (KN1) volt az első klónozott növényi gén, amely homeodomént tartalmazó fehérjét kódol. A csomós 1 mutáció miatt a KN1 gén nem megfelelő időben és rossz helyen fejeződik ki. A kn1 mutánsokban sejtcsoportok jelennek meg a már differenciált levélsejtek körül, amelyek továbbra is osztódnak. A levéllemezben az érelemek mentén elhelyezkedő osztódó sejtcsoportok úgynevezett csomópontokat (csomókat) alkotnak. Később felfedezték a KN1-szerű gének egész családját, a KNOX-ot (KNOTTED1-like HOMEOBOX). A KNOX család génjeinek túlzott expressziója szintén torzítja a levelek fejlődését.
A növényi KNOX gének közül a hajtáscsúcs merisztéma aktivitásának szabályozásában és a levélfejlődésben részt vevő nagy csoportot vizsgálták a legalaposabban: kukoricában KN1 és RS1, Arabidopsis thaliana KNAT1, KNAT2 és STM , árpában HvKNOX3, ill. OSH1 rizsben. A KN1, STM gének és funkcionális analógjaik felelősek a merisztéma sejtosztódás fenntartásáért, további differenciálódásuk visszaszorításáért. Ezek a gének a hajtáscsúcs merisztémákban, valamint a virágmerisztémákban expresszálódnak.
A „MADS-box” kifejezés négy gén kezdőbetűiből származik: élesztő MCM1, Arabidopsis AG, snapdragon DEF és emlős SRF. A MADS dobozt tartalmazó gének közé tartozik különösen az AG ( AGAMOUS ), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) és AP3 (APETALA3), TFL1 (TERMINAL FLOWER), PI (PISTILLATA). Az ilyen típusú gének szabályozzák a florogenezist és meghatározzák a sejtek sorsát a petesejtekben; kifejeződésüket az embrióban, a gyökerekben és a levelekben találták meg. A MADS box gének a növényi homeotikus gének többségét tartalmazzák, különösen a virágszerveket azonosító géneket. Feltételezhető, hogy a növények progresszív evolúciójának folyamatában új szervek, például petesejtek és magvak megjelenése a MADS-box gének új alcsaládjainak megjelenésével járt.
A növényi szervek és szövetek fejlődésének közvetlen szabályozását a transzkripciós faktorok (TF-ek) végzik, olyan fehérjék, amelyek a sejtmagba kerülve szabályozzák a transzkripciót azáltal, hogy specifikusan kölcsönhatásba lépnek a DNS-sel vagy más fehérjékkel, amelyek fehérje-DNS komplexet képezhetnek.
![]() |
---|