Homeotikus gének

A 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]

Homeotikus mutációk

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.

Kollinearitás

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.

Osztályozás

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.

A homeotikus gének törzsfejlődése

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]

Történelem

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]

Növényekben

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 .

Homeobox gének

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.

MADS dobozt tartalmazó gének

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.

Átírási tényezők

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.

Lásd még

• homeobox
• homeózis
• Morfogenezis

Irodalom

• Lutova L. A., Provorov N. A., Tikhodeev O. N., Tikhonovich I. A., Khodzhayova L. T., Shishkova S. O. A növény fejlődésének genetikája / Szerk. Levelező tag RAS S. G. Inge-Vechtomova. - Szentpétervár: Nauka, 2000. - 539 p.
• Korochkin L. I., Yankovsky N. K., Gvozdev V. A., Gaponenko A. K., Limborskaya S. A. Genom, klónozás, emberi eredetű / Szerk. Levelező tag RAS L. I. Korochkina. - Fryazino: 2. életkor, 2003. - 224 p.
• Medvedev S. S., Sharova E. I. A növényi szervezetek fejlődésének genetikai és epigenetikai szabályozása (áttekintés) / Journal of Siberian Federal University. Biológia 2 (2010-3).
• Lewin. gének VII. — 7. - New York: Oxford University Press, 2002. - S. 960. - 990 p. — ISBN 0-19-879276-X .

Jegyzetek

1. ↑ Wang, X. és Müller, WE (2016). Molekuláris morfogenezis: Génexpressziós minták állatokban. Sejtbiológia és molekuláris medicina szakvélemények. 2:1–41 doi : 10.1002/3527600906.mcb.200500041.pub2
2. ↑ shatal.pmd Archivált : 2005. január 10. a Wayback Machine -nél
3. ↑ Ferrier DE , Dewar K. , Cook A. , Chang JL , Hill-Force A. , Amemiya C. A chordate ParaHox klaszter.  (angol)  // Jelenlegi biológia : CB. - 2005. - 20. évf. 15, sz. 20 . - P. 820-822. - doi : 10.1016/j.cub.2005.10.014 . — PMID 16243016 .
4. ↑ Burglin, T. (2005). A Homebox oldal. http://www.cbt.ki.se/groups/tbu/homeo.html#Structure%20of%20the%20homeodomain Archiválva : 2011. szeptember 11. a Wayback Machine -nél
5. ↑ Lutz, B.; H. C. Lu, G. Eichele, D. Miller és T. C. Kaufman. A Drosophila labiális nullmutánsnak a Hoxb-1 csirkeortológus általi megmentése azt mutatja, hogy a Hox gének funkciója filogenetikailag konzervált  // Genes & Development  : Journal  . - 1996. - 1. évf. 10 . - 176-184 . o . — PMID 8566751 .
6. ↑ Ayala, FJ; A. Rzhetskydagger.  A metazoan törzs eredete : A molekuláris órák megerősítik a paleontológiai becsléseket  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : Journal. - 1998. - január 20. ( 95. évf. , 2. sz.). - P. 606-611 . — PMID 9435239 .
7. ↑ Cesares és Mann 1998; Plaza et al 2001
8. ↑ Scott F. Gilbert. Fejlődésbiológia . — Nyolcadik kiadás. - Sinauer Associates Inc., 2006. - 785 p. — ISBN 087893250X .
9. ↑ Hanes SD , Brent R. A bicoid aktivátor fehérje DNS-specifitását a 9. homeodomén felismerő hélix aminosav határozza meg.  //  Sejt. - 1989. - 1. évf. 57. sz. 7 . - P. 1275-1283. — PMID 2500253 .
10. ↑ Hanes SD , Brent R. A homeodomain felismerő hélix és a DNS közötti interakció genetikai modellje.  (angol)  // Tudomány (New York, NY). - 1991. - 1. évf. 251. sz. 4992 . - P. 426-430. — PMID 1671176 .
11. ↑ Small S. , Blair A. , ​​​​Levine M. A 2. egyenletes csík szabályozása a Drosophila embrióban.  (angol)  // Az EMBO folyóirat. - 1992. - 1. évf. 11, sz. 11 . - P. 4047-4057. — PMID 1327756 .
12. ↑ Lempradl A. , Ringrose L. Hogyan szabályozza a nem kódoló transzkripció a Hox géneket?  (angol)  // BioEssays : hírek és áttekintések a molekuláris, sejt- és fejlődésbiológiáról. - 2008. - Vol. 30, sz. 2 . - P. 110-121. - doi : 10.1002/bies.20704 . — PMID 18200528 .
13. A _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ RNS-ek.  (angol)  // Cell. - 2007. - Vol. 129. sz. 7 . - P. 1311-1323. - doi : 10.1016/j.cell.2007.05.022 . — PMID 17604720 .
14. ↑ Fraser P, Bickmore W. A genom nukleáris szerveződése és a génszabályozás lehetőségei   // Nature . - 2007. - Vol. 447 , sz. 7143 . - P. 413-7 . — PMID 17522674 .
15. ↑ Montavon T. , Le Garrec JF , Kerszberg M. , Duboule D. A Hox génszabályozás modellezése számjegyekben: fordított kollinearitás és a hüvelykujj molekuláris eredete.  (angol)  // Gének és fejlődés. - 2008. - Vol. 22. sz. 3 . - P. 346-359. - doi : 10.1101/gad.1631708 . — PMID 18245448 .
16. ↑ Pierce, Benjamin A. Genetika: Koncepcionális megközelítés. 2. kiadás . - W. H. Freeman; 2. kiadás, 2004. - 832 p. — ISBN 071678881.
17. ↑ Dehal P. , Boore JL Két kör teljes genomduplikáció az ősi gerincesben.  (angol)  // Public Library of Science Biology. - 2005. - 20. évf. 3, sz. 10 . - P. e314. - doi : 10.1371/journal.pbio.0030314 . — PMID 16128622 .
18. ↑ Elements Science News: Lancelet genom segít feltárni a gerincesek evolúciós sikerének titkát . Letöltve: 2009. május 10. Az eredetiből archiválva : 2013. június 23. (határozatlan)
19. ↑ Deschamps J. A fejlesztés alatt álló Hox gének ősi és nemrégiben felvett globális kontrollja.  (angol)  // Jelenlegi vélemény a genetikáról és fejlődésről. - 2007. - Vol. 17. sz. 5 . - P. 422-427. - doi : 10.1016/j.gde.2007.07.008 . — PMID 17870464 .
20. ↑ Archivált másolat (a hivatkozás nem elérhető) . Hozzáférés dátuma: 2013. január 29. Az eredetiből archiválva : 2013. január 25.  (határozatlan)  Az uszonyok szárazföldi járáshoz szükséges mancsokká történő átalakulását most a laboratóriumban demonstrálták: spanyol tudósok zebrahalban növesztették ki a végtagok alapjait.

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)