Hox-гены и осевое паттернирование

Как кластерные Hox-гены определяют идентичность областей вдоль оси «голова-хвост», придавая каждому сегменту тела его отличительный характер.

Definition

Hox-гены — это консервативное семейство генов транскрипционных факторов, содержащих гомеобокс, которые определяют региональную идентичность вдоль передне-задней оси тела; осевое паттернирование — это установление различных идентичностей в последовательных положениях вдоль этой оси.

Scope

Эта тема охватывает Hox-гены — транскрипционные факторы, содержащие гомеобокс, которые определяют позиционную идентичность вдоль передне-задней оси, включая их организацию в кластеры, коллинеарность между их геномным порядком и областями их действия, их глубокую консервацию у животных и гомеотические трансформации, вызванные их мутациями.

Core questions

• Как Hox-гены придают различным областям тела их отличительные идентичности?
• Почему порядок Hox-генов на хромосоме соответствует порядку их действия в теле?
• Что происходит при мутации или неправильной экспрессии Hox-генов?
• Насколько консервативны Hox-гены в животном царстве?

Key concepts

• Гомеобокс и гомеодомен
• Кластеры Hox-генов
• Пространственная коллинеарность
• Гомеотические трансформации
• Консервация у животных

Key theories

Коллинеарность порядка и экспрессии Hox-генов

Hox-гены расположены в кластерах в том же порядке, что и области тела, которые они паттернируют, поэтому гены на одном конце кластера действуют в передней части, а гены на другом конце — в задней, связывая геномную организацию с пространственным развертыванием.

Mechanisms

Hox-гены кодируют транскрипционные факторы с ДНК-связывающим гомеодоменом, которые регулируют наборы нижестоящих генов, определяющих характер области тела. Они расположены в геномных кластерах, порядок которых соответствует порядку областей, которые они паттернируют вдоль оси тела, — свойство, называемое коллинеарностью. Каждый Hox-ген экспрессируется в определенной области, и комбинация активных Hox-генов в области определяет ее идентичность. Потеря или эктопическая экспрессия Hox-гена вызывает гомеотическую трансформацию, при которой одна часть тела развивается с идентичностью другой. Те же генные кластеры с консервативными гомеобоксными последовательностями паттернируют оси животных, столь же разнообразных, как мухи и млекопитающие.

Clinical relevance

Мутации, затрагивающие Hox-гены и их регуляцию, связаны с пороками развития конечностей и скелета у человека, и консервация этих генов делает результаты исследований на модельных организмах непосредственно релевантными. Эта запись носит образовательный характер и не предоставляет клинических рекомендаций.

History

Анализ Льюисом битораксного комплекса выявил гены, которые контролируют сегментарную идентичность у мухи. Последующее открытие общей гомеобоксной последовательности показало, что эти гены принадлежат к консервативному семейству, присутствующему во всем животном царстве, что изменило понимание эволюции плана строения тела.

Key figures

• Edward B. Lewis
• William McGinnis
• Walter Gehring

Seminal works

• lewis1978
• gilbert2016

Frequently asked questions

Что такое гомеотическая трансформация?

Это изменение, при котором одна часть тела развивается с идентичностью другой — например, у мухи вырастают ноги там, где должны быть усики — вызванное измененной активностью Hox-генов.

Что означает коллинеарность для Hox-генов?

Это означает, что порядок генов вдоль хромосомы соответствует порядку областей тела, которые они паттернируют, так что расположение генов отражает ось тела.