Глубокая гомология и гены «инструментария»

Как небольшой, древний набор общих регуляторных генов определяет развитие в животном мире, выявляя неожиданную гомологию между очень разными структурами.

Definition

Гены «инструментария» — это консервативный набор регуляторных генов, широко распространенных среди животных, которые контролируют основные решения в развитии; глубокая гомология — это общность одних и тех же лежащих в основе генетических программ и программ развития между структурами у отдаленно родственных организмов, даже если сами структуры не наследуются напрямую как один и тот же орган.

Scope

Эта тема охватывает консервативный генетический инструментарий развития, включая гены Hox и другие основные регуляторы, а также концепцию глубокой гомологии, при которой схожие генетические программы лежат в основе структур у отдаленно родственных животных. В ней используются классические примеры, такие как общий главный ген для развития глаза, чтобы проиллюстрировать, как древние регуляторные гены повторно используются в разных линиях.

Core questions

• Какие гены составляют консервативный инструментарий развития?
• Как очень разные животные могут использовать одни и те же гены для построения своих тел?
• Что такое глубокая гомология и чем она отличается от обычной гомологии?
• Что общие главные регуляторы раскрывают об общем происхождении планов строения тела?

Key concepts

• Консервативные гены «инструментария»
• Гены Hox у разных типов
• Главные контролирующие гены
• Глубокая гомология
• Кооптация генов

Key theories

Общий инструментарий развития

Ограниченный набор древних регуляторных генов консервативен во всем животном царстве и повторно используется для определения паттернов развития, поэтому разнообразие форм строится в основном за счет перепрофилирования общего генетического инструментария.

Mechanisms

Инструментарий развития включает регуляторные гены — факторы транскрипции и сигнальные компоненты, — которые консервативны у животных и направляют формирование осей тела, придатков и органов. Поскольку эти гены являются общими, один и тот же регулятор может контролировать развитие аналогичных структур в отдаленных линиях, как, например, главный ген, который инициирует развитие глаза у таких разных животных, как мухи и млекопитающие. Глубокая гомология возникает, когда такие общие программы лежат в основе структур, которые развили свои детальные формы независимо. Эволюция часто происходит путем кооптации генов «инструментария» в новые контексты, развертывания существующего регулятора в новом месте или времени для построения новой структуры из консервативных компонентов.

Clinical relevance

Поскольку гены «инструментария» консервативны, открытия, сделанные на модельных организмах, применимы к генам развития человека, а нарушения этих общих регуляторов лежат в основе сопоставимых пороков развития у разных видов. Эта запись носит образовательный характер и не является клиническим руководством.

History

Открытие того, что гомеобокс является общим для животных, выявило древний, консервативный набор генов, определяющих паттерны. Демонстрации того, что один главный ген может запускать формирование глаза у разных типов, популяризировали идею глубокой гомологии и общего генетического инструментария.

Key figures

• Sean B. Carroll
• Walter Gehring

Seminal works

• carroll2005
• gilbert2016

Frequently asked questions

Что такое генетический инструментарий?

Это консервативный набор регуляторных генов, общий для животных, который контролирует основные этапы развития, такие как построение осей, конечностей и органов.

Что означает глубокая гомология?

Это означает, что структуры у отдаленно родственных животных строятся с использованием одних и тех же лежащих в основе генетических программ, даже если сами структуры развивали свои детали по отдельности.