Ген гомеотического селектора - Википедия - Homeotic selector gene

Гомеотические селекторные гены совещаться сегмент личность в Дрозофила. Они кодируют гомеодомен белки, которые взаимодействуют с Hox и другие гомеотические гены для инициации сегмент-специфической генной регуляции. Белки гомеодомена - это факторы транскрипции, которые разделяют ДНК-связывающий домен, называемый гомеодоменом.[1] Изменения в экспрессии и функции гомеотических генов ответственны за изменения морфологии конечностей членистоногих, а также осевого скелета позвоночных.[2][3] Мутации в генах гомеотических селекторов не приводят к устранению сегмента или паттерна, а вместо этого вызывают неправильное развитие сегмента.

История

Гены гомеотических селекторов были обнаружены в результате генетического анализа Дрозофила более 80 лет назад. Были обнаружены необычные нарушения в организации взрослой мухи, приводящие к неправильному расположению конечностей, например, ноги, развивающиеся там, где обычно развиваются усики, или дополнительная пара крыльев, развивающаяся там, где должны быть жужжальцы. Это открытие дало возможность понять, как каждый сегмент приобретает свою индивидуальную идентичность.[2]

Drosophila melanogaster

Первый кластер гомеотических генов, комплекс биторакс, был открыт Эдвард Б. Льюис в 1978 году. Было обнаружено, что похожие мутации в комплексе группируются вместе, что привело Льюиса к предположению, что эти гомеотические гены возникли благодаря механизму дупликации, который сохранял бы кластеры в процессе эволюции.[4]Независимые открытия гомеобокс в 1983 г. Вальтера Геринга Лаборатория Базельского университета, Швейцария, и лаборатория Томаса Кауфмана в Университете Индианы подтвердили теорию Льюиса.[5]

Коллинеарность

Коллинеарность обнаруживается между порядком генов на хромосоме и порядком, в котором гены экспрессируются вдоль переднезадней оси эмбриона. Например, ген lab находится в 3'-положении в комплексе Antennapedia и экспрессируется в самой передней части головы эмбриона. В то же время ген Abd-B расположен в 5 'положении комплекса Bithorax и экспрессируется в самой задней части эмбриона. Это говорит о том, что гены могут быть активированы посредством постепенного процесса, при котором действие постепенно распространяется по хромосоме. Хотя значение колинеарности до сих пор не изучено, считается, что она играет важную роль из-за ее сохранения у членистоногих и позвоночных, включая человека.[6]

Индивидуальность парасегментов

Гены гомеотических селекторов кодируют регуляторные ДНК-связывающие белки которые все связаны через высококонсервативные ДНК-связывающие последовательности, называемые гомеобокс (от которого происходит название «Hox Complex»). Хотя все ДНК-связывающие комплексы законсервированы, каждый пара-сегмент по-прежнему имеет индивидуальную идентичность. Белки не связываются напрямую с ДНК, скорее, они взаимодействуют с другими регуляторными белками, которые уже связаны с ДНК-связывающими комплексами. Различные взаимодействия определяют, какие участки связывания ДНК распознаются и впоследствии активируются или подавляются. Гомеотические селективные белки комбинируются в различных комбинациях с регуляторными белками, чтобы придать каждому парасегменту его идентичность. [2]

Комплекс Hox переносит позиционную информацию

Определенные сигналы устанавливают пространственный паттерн экспрессии комплекса Hox на ранней стадии развития. Комплекс Hox действует как штамп, давая ячейкам в каждом сегменте долгосрочное позиционное значение. Память клетки о данном позиционном значении зависит от двух входов, первый из которых - способность многих Hox-белков автоматически активировать свою собственную транскрипцию, а второй происходит от двух больших групп регуляторов транскрипции: Группа Поликомб и Группа триторакс. Дефект любого из этих регуляторов приводит к паттерну, который изначально является правильным, но не сохраняется на более поздних эмбриональных стадиях. Регуляторы Polycomb и Trithorax действуют противоположным образом. Группа Trithorax поддерживает транскрипцию Hox после того, как транскрипция уже активирована. Группа Polycomb образует стабильные комплексы, которые связываются с хроматином Hox-генов и удерживают его в подавленном состоянии на участках, где Hox-гены не активны.[2]

Эволюционное сохранение

Гомологи гена гомеотического селектора обнаружены у множества видов, начиная от книдарийцы к нематоды, млекопитающим. Эти гены сгруппированы аналогично комплексу Hox, обнаруженному у насекомых. У мыши есть четыре комплекса: HoxA, HoxB, HoxC и HoxD, каждый на разных хромосомах. Отдельные гены в каждом комплексе соответствуют определенным членам генома дрозофилы. Гены Hox млекопитающих могут функционировать в Дрозофила в качестве частичной замены Hox-генов Drosophila. Каждый из четырех Hox-комплексов млекопитающих имеет грубый аналог в комплексе насекомых.

Теория, лежащая в основе этой эволюционной консервации, основана на убеждении, что некий общий предок червей, мух и позвоночных имел единственный первичный гомеотический селекторный ген, предковый комплекс Hox, который прошел через многократные дупликации, чтобы сформировать серию тандемных генов. В Дрозофила, этот древний Hox-комплекс разделен на два отдельных комплекса: Antennapedia и Bithorax. У млекопитающих весь комплекс многократно дублировался, давая четыре комплекса Hox. Эта теория имеет некоторые недостатки, в том числе то, что некоторые отдельные гены были дублированы, а другие потеряны.[6]

Разнообразие членистоногих

Изменения в экспрессии гомеотических генов вносят свой вклад в разнообразие. В Дрозофила Геном содержит восемь гомеотических генов в двух комплексах. В Беспозвоночные геном содержит 8-10 гомеотических генов только в одном комплексе, в то время как Позвоночные дублировали Hox-комплекс и имеют четыре кластера. Изменения в экспрессии и функциональности отдельных генов приводят к различной морфологии, как показано на членистоногие. Разнообразие между пятью группами членистоногих является результатом их модульной архитектуры. Членистоногие состоят из серии повторяющихся сегментов тела, которые можно изменять неограниченным количеством способов. В то время как некоторые сегменты могут нести антенну, другие могут быть модифицированы для установки крыльев.[6] Ракообразные имеют разную морфологию внутри группы из-за разных паттернов экспрессии Ubx в изоподы и брахиоподы. Подобно брахиопод, у равноногих есть плавательные конечности на втором-восьмом грудных сегментах, однако конечности на первом грудном сегменте меньше остальных и используются в качестве конечностей для кормления. Различные паттерны экспрессии Ubx коррелируют с этими модификациями, возможно, в результате приобретенной мутации, которая позволяет энхансерам Ubx больше не опосредовать экспрессию в первом грудном сегменте.[6]

Src выражение

Брахиоподы: Экспрессия Src ограничена областью головы у плеченогих и помогает в развитии кормовых придатков. Ubx экспрессируется в грудной клетке, где контролирует развитие плавательных конечностей.[2]

Изоподы: Экспрессия Src обнаруживается как в голове, так и в первом грудном сегменте (T1) у равноногих, и в результате плавательная конечность в T1 трансформируется в питающий придаток (maxillipped). Апостериорное расширение Src возможно из-за потери экспрессии Ubx в T1, потому что Ubx обычно репрессирует экспрессию Src.[2]

Dll выражение

У каждого насекомого шесть ног, по одной паре на каждом из трех грудных сегментов, в то время как другие членистоногие имеют переменное количество конечностей. Это изменение морфологии связано с функциональными изменениями в регуляторном белке Ubx. Ubx и abd-A подавляют экспрессию Distal -less, Dll, гена, ответственного за развитие конечностей. У эмбриона дрозофилы Ubx экспрессируется на высоком уровне в заднегрудь и передние сегменты брюшной полости; abd-A выражен в задних сегментах брюшной полости. В сочетании эти два гена не позволяют Dll функционировать в первых семи сегментах брюшной полости. Однако Ubx экспрессируется в заднегруди и не мешает экспрессии Dll, потому что Dll активируется до экспрессии Ubx.[6]

У ракообразных высокие уровни как Ubx, так и DII во всех 11 грудных сегментах. Экспрессия DII способствует развитию плавательных конечностей. Белок Ubx не подавляет DII у ракообразных, потому что Ubx функционально отличается у насекомых и ракообразных.[6]

Рекомендации

  1. ^ Маннервик М (апрель 1999 г.). «Гены-мишени гомеодоменных белков». BioEssays. 21 (4): 267–70. Дои:10.1002 / (SICI) 1521-1878 (199904) 21: 4 <267 :: AID-BIES1> 3.0.CO; 2-C. PMID  10377888.
  2. ^ а б c d е ж Альберс Б., Джонсон А., Льюис Дж, Робертс К., Уолтер П. (2002). Молекулярная биология клетки. Наука о гирляндах. ISBN  978-0-8153-3218-3. NBK21054.
  3. ^ «Гомеотический селекторный ген - определение с сайта Biology-Online.org». 2009-01-08. Получено 2009-12-14.
  4. ^ Маэда РК, Карч Ф (2009). Биторакс-комплекс дрозофилы - исключительный Hox-кластер. Curr. Вершина. Dev. Биол. Актуальные темы биологии развития. 88. С. 1–33. Дои:10.1016 / S0070-2153 (09) 88001-0. ISBN  9780123745293. PMID  19651300.
  5. ^ Таубес, Джорджия. Открытие Homeobox. Медицинский институт Говарда Хьюза. 2012 г.
  6. ^ а б c d е ж Уотсон, Джеймс Дьюи; Бейкер, Таня А .; Белл, Стивен П .; Ганн, Александр; Лосик, Ричард; Левин, Майкл К. (2008). Молекулярная биология гена (6-е изд.). Pearson Education. ISBN  978-0-321-50781-5.