Гомеобоксные гены и экспрессия генов развития

Гомеобоксные гены кодируют факторы транскрипции, которые имеют консервативный ДНК-связывающий домен — гомеодомен — и действуют как главные регуляторы экспрессии генов развития. Среди них гены Hox определяют позиционную идентичность вдоль оси тела от головы до хвоста, определяя, чем становится каждый регион. Включая и выключая наборы нижестоящих генов в пространственно упорядоченных паттернах, гомеобоксные гены преобразуют осевое положение в идентичность сегментов, тканей и органов.

Definition

Гомеобокс — это консервативная последовательность ДНК длиной около 180 пар оснований, которая кодирует гомеодомен — ДНК-связывающий белковый мотив. Гомеобоксные гены — это гены, содержащие эту последовательность; они кодируют факторы транскрипции, включая семейство Hox, которые регулируют пространственную экспрессию генов развития и определяют региональную идентичность вдоль осей тела.

Scope

Статья охватывает структуру и функцию гомеобокса и гомеодомена, организацию и колинеарную экспрессию кластеров генов Hox, механизмы регуляции экспрессии генов развития этими факторами транскрипции, а также их глубокую консервацию у животных. Она рассматривает гомеобоксные гены как молекулярную тему в биологии развития и носит справочно-образовательный, а не клинический характер.

Core questions

• Что такое гомеодомен и как он связывается с ДНК для регуляции транскрипции?
• Как гены Hox определяют идентичность вдоль передне-задней оси?
• Почему гены Hox расположены в кластерах, и что такое колинеарность?
• Насколько консервативны гомеобоксные гены в животном царстве?

Key concepts

• ДНК-связывающий мотив гомеодомена
• Гены Hox и гомеотическая трансформация
• Пространственная колинеарность кластеров Hox
• Передне-задняя осевая идентичность
• Регуляция факторов транскрипции наборов генов-мишеней
• Эволюционная консервация у животных

Key theories

Колинеарность Hox и осевая идентичность

Гены Hox расположены в хромосомных кластерах, порядок которых соответствует порядку областей тела, которые они контролируют вдоль передне-задней оси, так что положение гена в кластере предсказывает, где и когда он экспрессируется и какую сегментарную идентичность он придает.

Консервация гомеобокса

Открытие того, что последовательность гомеобокса, найденная в гомеотических генах мухи, общая для отдаленно родственных животных, показало, что консервативное семейство регуляторных факторов транскрипции формирует ось тела во всем животном царстве.

Mechanisms

Гомеобоксные гены кодируют факторы транскрипции, чей гомеодомен сворачивается в структуру спираль-поворот-спираль, которая связывается со специфическими последовательностями ДНК в регуляторных областях генов-мишеней. Связываясь с этими последовательностями, белки гомеодомена активируют или репрессируют наборы нижестоящих генов, тем самым контролируя программу развития клеток, в которых они экспрессируются. Подмножество Hox организовано в хромосомные кластеры, в которых порядок генов отражает передне-задний порядок областей, которые они формируют — свойство, называемое пространственной колинеарностью, — так что каждая область тела экспрессирует определенную комбинацию генов Hox, которая определяет ее идентичность. Потеря или эктопическая экспрессия гена Hox может трансформировать одну часть тела в подобие другой, гомеотическая трансформация, которая демонстрирует, что эти гены действуют как селекторы региональной идентичности. Гомеобокс сильно консервативен, поэтому та же логика осевого паттернинга действует у широко расходящихся животных.

Clinical relevance

Мутации в гомеобоксных генах связаны с рядом врожденных пороков развития, затрагивающих конечности, осевой скелет и органы, а измененная экспрессия некоторых гомеобоксных генов наблюдается при онкологических заболеваниях. Эта статья объясняет молекулярную функцию для справки и образования и не является основой для диагностики или лечения.

Evidence & guidelines

Доказательства основаны на генетике и молекулярной биологии модельных организмов — классических гомеотических мутантах плодовой мушки, исследованиях последовательностей и экспрессии кластеров Hox, а также целенаправленных манипуляциях с генами у позвоночных — синтезированных в обзорной литературе и учебниках, а не в клинических рекомендациях.

History

Анализ комплекса биторакс у плодовой мушки, проведенный Эдвардом Льюисом, показал, что кластер генов контролирует сегментарную идентичность вдоль тела. В 1984 году гомеобокс был идентифицирован как консервативная последовательность ДНК, общая для гомеотических генов мухи и, вскоре после этого, для многих животных, включая позвоночных, что выявило универсальное семейство регуляторов осевого паттернинга. Последующая работа картировала кластеры Hox позвоночных и установила принцип колинеарной экспрессии, сделав гомеобоксные гены краеугольным камнем генетики развития.

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

В чем разница между гомеобоксным геном и геном Hox?

Гомеобоксные гены — это широкое семейство генов, которые содержат гомеобокс и кодируют гомеодоменные факторы транскрипции; гены Hox — это специфическое кластерное подмножество гомеобоксных генов, которые определяют идентичность вдоль передне-задней оси тела.

Что означает колинеарность для генов Hox?

Колинеарность — это соответствие между физическим порядком генов Hox вдоль хромосомы и порядком областей тела, от головы до хвоста, которые они формируют, так что положение гена в кластере предсказывает, где он действует.