Homeobox-Gene und die Genexpression in der Entwicklung

Homeobox-Gene kodieren Transkriptionsfaktoren, die eine konservierte DNA-bindende Region, die Homöodomäne, gemeinsam haben und als Hauptregulatoren der Genexpression in der Entwicklung fungieren. Unter ihnen legen die Hox-Gene die Positionsidentität entlang der Kopf-Schwanz-Achse des Körpers fest und bestimmen, was jede Region wird. Indem sie Batterien nachgeschalteter Gene in räumlich geordneten Mustern an- und abschalten, übersetzen Homeobox-Gene die axiale Position in die Identität von Segmenten, Geweben und Organen.

Definition

Eine Homeobox ist eine konservierte DNA-Sequenz von etwa 180 Basenpaaren Länge, die die Homöodomäne kodiert – ein DNA-bindendes Proteinmotiv. Homeobox-Gene sind die Gene, die diese Sequenz enthalten; sie kodieren Transkriptionsfaktoren, einschließlich der Hox-Familie, die die räumliche Expression von Entwicklungsgenen regulieren und die regionale Identität entlang der Körperachsen verleihen.

Scope

Der Eintrag behandelt die Struktur und Funktion der Homeobox und Homöodomäne, die Organisation und kolineare Expression von Hox-Gen-Clustern, wie diese Transkriptionsfaktoren die Genexpression in der Entwicklung regulieren und ihre tiefe Konservierung bei Tieren. Er behandelt Homeobox-Gene als molekulares Thema in der Entwicklungsbiologie und ist referenziell und edukativ, nicht als klinische Leitlinie gedacht.

Core questions

• Was ist die Homöodomäne und wie bindet sie DNA, um die Transkription zu regulieren?
• Wie legen Hox-Gene die Identität entlang der anterior-posterioren Achse fest?
• Warum sind Hox-Gene in Clustern angeordnet und was ist Kolinearität?
• Wie stark sind Homeobox-Gene im Tierreich konserviert?

Key concepts

• Homöodomänen-DNA-Bindungsmotiv
• Hox-Gene und homöotische Transformation
• Räumliche Kolinearität von Hox-Clustern
• Anterior-posteriore axiale Identität
• Transkriptionsfaktor-Regulation von Zielgen-Batterien
• Evolutionäre Konservierung bei Tieren

Key theories

Hox-Kolinearität und axiale Identität

Hox-Gene sind in chromosomalen Clustern angeordnet, deren Reihenfolge der Reihenfolge der Körperregionen entspricht, die sie entlang der anterior-posterioren Achse steuern, so dass die Position eines Gens im Cluster vorhersagt, wo und wann es exprimiert wird und welche segmentale Identität es verleiht.

Konservierung der Homeobox

Die Entdeckung, dass eine in homöotischen Genen der Fliege gefundene Homeobox-Sequenz bei entfernt verwandten Tieren vorkommt, zeigte, dass eine konservierte Familie von regulatorischen Transkriptionsfaktoren die Körperachse im gesamten Tierreich mustert.

Mechanisms

Homeobox-Gene kodieren Transkriptionsfaktoren, deren Homöodomäne sich zu einer Helix-Turn-Helix-Struktur faltet, die spezifische DNA-Sequenzen in den regulatorischen Regionen von Zielgenen bindet. Durch die Bindung dieser Sequenzen aktivieren oder unterdrücken Homöodomänen-Proteine Batterien nachgeschalteter Gene und steuern so das Entwicklungsprogramm der Zellen, in denen sie exprimiert werden. Die Hox-Untergruppe ist in chromosomalen Clustern organisiert, in denen die Genreihenfolge die anterior-posteriore Reihenfolge der von ihnen gemusterten Regionen widerspiegelt – eine Eigenschaft, die als räumliche Kolinearität bezeichnet wird –, sodass jede Körperregion eine bestimmte Kombination von Hox-Genen exprimiert, die ihre Identität festlegt. Der Verlust oder die ektopische Expression eines Hox-Gens kann einen Körperteil in die Ähnlichkeit eines anderen umwandeln, eine homöotische Transformation, die zeigt, dass diese Gene als Selektoren der regionalen Identität wirken. Die Homeobox ist stark konserviert, sodass dieselbe Logik der Achsenmusterung bei weit divergenten Tieren funktioniert.

Clinical relevance

Mutationen in Homeobox-Genen sind mit einer Reihe von angeborenen Fehlbildungen verbunden, die Gliedmaßen, das Achsenskelett und Organe betreffen, und eine veränderte Expression einiger Homeobox-Gene wird bei Krebserkrankungen beobachtet. Dieser Eintrag erläutert die molekulare Funktion zu Referenz- und Bildungszwecken und ist keine Grundlage für Diagnose oder Behandlung.

Evidence & guidelines

Die Evidenz basiert auf Genetik und Molekularbiologie in Modellorganismen – klassischen homöotischen Mutanten der Fruchtfliege, Sequenz- und Expressionsstudien von Hox-Clustern und gezielter Genmanipulation bei Wirbeltieren – zusammengefasst in Übersichtsartikeln und Lehrbüchern und nicht in klinischen Leitlinien.

History

Edward Lewis' Analyse des Bithorax-Komplexes in der Fruchtfliege zeigte, dass ein Gencluster die segmentale Identität entlang des Körpers steuert. 1984 wurde die Homeobox als konservierte DNA-Sequenz identifiziert, die bei homöotischen Genen der Fliege und bald darauf bei vielen Tieren, einschließlich Wirbeltieren, vorkommt, was eine universelle Familie von Regulatoren der Achsenmusterung offenbarte. Spätere Arbeiten kartierten die Hox-Cluster der Wirbeltiere und etablierten das Prinzip der kolinearen Expression, wodurch Homeobox-Gene zu einem Eckpfeiler der Entwicklungsgenetik wurden.

Key figures

• Edward B. Lewis
• Walter Gehring
• William McGinnis
• Robb Krumlauf
• Christiane Nusslein-Volhard

Seminal works

• lewis-1978
• mcginnis-1984
• krumlauf-1994

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen einem Homeobox-Gen und einem Hox-Gen?

Homeobox-Gene sind die breite Familie von Genen, die eine Homeobox enthalten und Homöodomänen-Transkriptionsfaktoren kodieren; Hox-Gene sind eine spezifische geclusterte Untergruppe von Homeobox-Genen, die die Identität entlang der anterior-posterioren Körperachse festlegen.

Was bedeutet Kolinearität für Hox-Gene?

Kolinearität ist die Entsprechung zwischen der physikalischen Reihenfolge der Hox-Gene entlang des Chromosoms und der Reihenfolge der Körperregionen, von Kopf bis Schwanz, die sie mustern, so dass die Position eines Gens im Cluster vorhersagt, wo es wirkt.