Gen Homeobox và Biểu hiện Gen Phát triển

Các gen homeobox mã hóa các yếu tố phiên mã chia sẻ một vùng liên kết DNA được bảo tồn, homeodomain, và hoạt động như các yếu tố điều hòa chính của biểu hiện gen phát triển. Trong số đó, các gen Hox xác định bản sắc vị trí dọc theo trục đầu-đuôi của cơ thể, quyết định mỗi vùng sẽ trở thành gì. Bằng cách bật và tắt các nhóm gen hạ nguồn theo các mô hình sắp xếp không gian, các gen homeobox chuyển đổi vị trí trục thành bản sắc của các phân đoạn, mô và cơ quan.

Definition

Homeobox là một trình tự DNA được bảo tồn, dài khoảng 180 cặp bazơ, mã hóa homeodomain — một motif protein liên kết DNA. Các gen homeobox là các gen chứa trình tự này; chúng mã hóa các yếu tố phiên mã, bao gồm họ Hox, điều hòa biểu hiện không gian của các gen phát triển và tạo ra bản sắc vùng dọc theo các trục cơ thể.

Scope

Mục này bao gồm cấu trúc và chức năng của homeobox và homeodomain, sự tổ chức và biểu hiện đồng tuyến của các cụm gen Hox, cách các yếu tố phiên mã này điều hòa biểu hiện gen phát triển, và sự bảo tồn sâu sắc của chúng trên khắp các loài động vật. Nó coi các gen homeobox là một chủ đề phân tử trong sinh học phát triển và mang tính tham khảo và giáo dục, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Core questions

• Homeodomain là gì và nó liên kết với DNA như thế nào để điều hòa phiên mã?
• Các gen Hox xác định bản sắc dọc theo trục trước-sau như thế nào?
• Tại sao các gen Hox được sắp xếp thành các cụm, và tính đồng tuyến là gì?
• Các gen homeobox được bảo tồn như thế nào trên khắp vương quốc động vật?

Key concepts

• Motif liên kết DNA homeodomain
• Các gen Hox và biến đổi homeotic
• Tính đồng tuyến không gian của các cụm Hox
• Bản sắc trục trước-sau
• Điều hòa các nhóm gen đích bằng yếu tố phiên mã
• Bảo tồn tiến hóa trên khắp các loài động vật

Key theories

Tính đồng tuyến Hox và bản sắc trục

Các gen Hox được sắp xếp trong các cụm nhiễm sắc thể có thứ tự tương ứng với thứ tự của các vùng cơ thể mà chúng kiểm soát dọc theo trục trước-sau, sao cho vị trí của một gen trong cụm dự đoán nơi và khi nào nó được biểu hiện và bản sắc phân đoạn nào nó mang lại.

Sự bảo tồn của homeobox

Việc phát hiện ra rằng một trình tự homeobox được tìm thấy trong các gen homeotic của ruồi được chia sẻ giữa các loài động vật có quan hệ xa đã tiết lộ rằng một họ các yếu tố phiên mã điều hòa được bảo tồn tạo mẫu trục cơ thể trên khắp vương quốc động vật.

Mechanisms

Các gen homeobox mã hóa các yếu tố phiên mã có homeodomain gập lại thành cấu trúc xoắn-vòng-xoắn liên kết với các trình tự DNA cụ thể trong các vùng điều hòa của các gen đích. Bằng cách liên kết với các trình tự này, các protein homeodomain kích hoạt hoặc kìm hãm các nhóm gen hạ nguồn, từ đó kiểm soát chương trình phát triển của các tế bào mà chúng được biểu hiện. Tập hợp con Hox được tổ chức thành các cụm nhiễm sắc thể trong đó thứ tự gen phản ánh thứ tự trước-sau của các vùng mà chúng tạo mẫu — một đặc tính được gọi là tính đồng tuyến không gian — sao cho mỗi vùng cơ thể biểu hiện một sự kết hợp cụ thể của các gen Hox để xác định bản sắc của nó. Mất hoặc biểu hiện lạc chỗ của một gen Hox có thể biến đổi một phần cơ thể thành một phần khác, một sự biến đổi homeotic cho thấy các gen này hoạt động như các yếu tố chọn lọc bản sắc vùng. Homeobox được bảo tồn mạnh mẽ, vì vậy logic tạo mẫu trục tương tự hoạt động trên các loài động vật rất khác nhau.

Clinical relevance

Đột biến trong các gen homeobox có liên quan đến một loạt các dị tật bẩm sinh ảnh hưởng đến chi, xương trục và các cơ quan, và sự thay đổi biểu hiện của một số gen homeobox được quan sát thấy trong các bệnh ung thư. Mục này giải thích chức năng phân tử để tham khảo và giáo dục và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị.

Evidence & guidelines

Bằng chứng dựa trên di truyền học và sinh học phân tử trong các sinh vật mô hình — các đột biến homeotic cổ điển ở ruồi giấm, các nghiên cứu trình tự và biểu hiện của các cụm Hox, và thao tác gen có mục tiêu ở động vật có xương sống — được tổng hợp trong các tài liệu tổng quan và sách giáo khoa hơn là các hướng dẫn lâm sàng.

History

Phân tích của Edward Lewis về phức hợp bithorax ở ruồi giấm cho thấy một cụm gen kiểm soát bản sắc phân đoạn dọc theo cơ thể. Năm 1984, homeobox được xác định là một trình tự DNA được bảo tồn chia sẻ giữa các gen homeotic của ruồi và, ngay sau đó, trên nhiều loài động vật bao gồm động vật có xương sống, tiết lộ một họ phổ quát các yếu tố điều hòa tạo mẫu trục. Công việc tiếp theo đã lập bản đồ các cụm Hox ở động vật có xương sống và thiết lập nguyên tắc biểu hiện đồng tuyến, biến các gen homeobox thành một nền tảng của di truyền học phát triển.

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

Sự khác biệt giữa gen homeobox và gen Hox là gì?

Các gen homeobox là họ gen rộng chứa homeobox và mã hóa các yếu tố phiên mã homeodomain; các gen Hox là một tập hợp con cụ thể được nhóm lại của các gen homeobox xác định bản sắc dọc theo trục cơ thể trước-sau.

Tính đồng tuyến có ý nghĩa gì đối với các gen Hox?

Tính đồng tuyến là sự tương ứng giữa thứ tự vật lý của các gen Hox dọc theo nhiễm sắc thể và thứ tự của các vùng cơ thể, từ đầu đến đuôi, mà chúng tạo mẫu, vì vậy vị trí của một gen trong cụm dự đoán nơi nó hoạt động.