ДНК құрылымының анатомиялық дамуға әсері

Кіріспе

Анатомиялық дамуға әсер ететін ДНК үлгісі

Гомеобокс – шамамен 180 негіз жұбынан тұратын ДНК тізбегі, ол эмбриондық дамудың бастапқы кезеңдерінде ірі анатомиялық белгілерді реттейді. Гомеобокстағы мутациялар дамыған организмнің ірі анатомиялық ерекшеліктерін өзгертуі мүмкін. Гомеобокстар жануарлар, саңырауқұлақтар, өсімдіктер және көптеген бір жасушалы эукариоттарда анатомиялық дамудың (морфогенез) үлгілерін реттеуге қатысатын гендердің құрамында кездеседі. Гомеодомен ақуыздары эмбриондық дамудың ерте кезеңдерінде гендік экспрессияны және жасушалардың дифференциациялануын реттейді, сондықтан гомеобокс гендеріндегі мутациялар даму бұзылыстарына алып келуі мүмкін. Гомеоз – Уильям Бейтсонның дене мүшесін басқа дене мүшесімен толық алмастыру құбылысын сипаттау үшін енгізген термині, мысалы, жеміс шыбынының басындағы антеннаның орнына аяқтардың пайда болуы. "Гомеобокс" және "гомеодомен" сөздеріндегі "гомео" префиксі осы мутациялық фенотиптен шыққан, ол жануарларда осы гендердің кейбіреулерінде мутациялар туғанда байқалады. Гомеобокс домені алғаш рет бірнеше Drosophila гомеотикалық және сегментациялық ақуыздарында анықталды, бірақ қазір оның көптеген басқа жануарларда, оның ішінде омыртқалыларда да жақсы сақталғаны белгілі.

Ашылу

Гомеобокс гендерінің бар екендігі алғаш рет дрозофилада гомеотикалық трансформацияға жауапты генді бөліп шығару арқылы анықталды, онда күтілген антенналардың орнына бастан аяқтар өседі. Уолтер Геринг осы гомеотикалық фенотипті тудыратын антеннапедия деп аталатын генді анықтады. Антеннапедияны талдау нәтижесінде бұл генде ДНК-мен байланысатын доменді кодтайтын 180 негіз жұптарынан тұратын тізбек бар екені анықталды, осы доменді Уильям МакГиннис «гомеобокс» деп атады. 1984 жылы Швейцариядағы Базель университетінің Эрнст Хафен, Майкл Левин, Уильям МакГиннис және Вальтер Якоб Геринг, сондай-ақ Блумингтондағы Индиана университетінің Мэтью П. Скотт пен Эми Вайнер антеннапедия гомеобокс тізбегін қамтитын қосымша дрозофила гендерінің табылуын тәуелсіз түрде хабарлады. Эдвард де Робертис пен Уильям МакГиннис гомологты гендерді бөліп шығару арқылы түрлі түрлердің көптеген гендері гомеобоксты қамтитынын көрсетті. Кейінгі филогенетикалық зерттеулер гомеобокс гендері арасындағы эволюциялық байланысты егжей-тегжейлі сипаттап, осы гендердің барлық екі жақты симметриялы жануарларда кездесетінін көрсетті.

Сызық ерекшелігі

Гомеодомендер В ДНК-ға арнайы да, арнайы емес те байланыса алады, мұнда С терминалды тану спиралі ДНҚ-ның үлкен ойысына, ал құрылымдалмаған пептидтік «құйрығы» N терминалы арқылы кішкентай ойысқа орналасады. Тану спиралі мен спиральдар аралық тізбектері аргинин мен лизин қалдықтарына бай, олар ДНҚ тірегімен сутекті байланыстар құрайды. Тану спиралінің ортасындағы сақталған гидрофобтық қалдықтар спиральдың жинақы болуын тұрақтандыруға көмектеседі. Гомеодоменді ақуыздар 5' TAAT 3' ДНК тізбегіне бейімділік көрсетеді; тізбекке тәуелсіз байланыс айтарлықтай төмен туыстықпен жүзеге асады. Жеке гомеодоменді ақуыздың ерекшелігі белгілі бір мақсатты геннің промоторларын тану үшін көбінесе жеткіліксіз, сондықтан кофакторлармен байланыс байланыс тізбегінің ерекшелігін және мақсатты геннің экспрессиясын бақылаудың маңызды механизмі болып табылады. Жоғары мақсатты ерекшелікке қол жеткізу үшін гомеодоменді ақуыздар басқа транскрипциялық факторлармен кешендер құрап, белгілі бір мақсатты геннің промоторлық аймағын таниды.

Биологиялық қызметі

Гомеодоменді ақуыздар сақталған HTH мотивінің ДНҚ-ға байланысу қасиеттерінің арқасында транскрипция факторлары ретінде жұмыс істейді. Гомеодоменді ақуыздар негізгі бақылау гендері деп есептеледі, яғни бір ақуыз көптеген нысаналы гендердің экспрессиясын реттеуге қабілетті. Гомеодоменді ақуыздар ерте эмбриональды даму кезінде дене біліктері мен дене құрылымдарының қалыптасуын анықтайды. Көптеген гомеодоменді ақуыздар жеке тіндер мен органдарды жасау үшін қажетті бірлесіп реттелетін гендердің тізбегін іске қосып, жасушалық дифференциацияны күшейтеді. Отбасыдағы басқа ақуыздар, мысалы, NANOG плюрипотенттілікті сақтауға және жасушалардың дифференциациялануына жол бермеуге қатысады.

Реттеу

Хокс гендері және олармен байланысты микроРНК-лар – тіндік ерекшеліктерімен және кеңістік-уақыттық бақылаумен қатты байланысты, жоғары сақталған дамудың маңызды реттеушілері. Бұл гендер бірнеше қатерлі ісіктерде бұзылуы белгілі және көбінесе ДНК метилирлеу арқылы реттеледі. Хокс гендерінің реттелуі өте күрделі және көбінесе тежегіш сипаттағы өзара әрекеттесулерді қамтиды. Дрозофила личинка даму кезінде жұптық ереже және саңылау гендерінің экспрессиясы төмендегеннен кейін, Хокс гендерінің экспрессиясын сақтау үшін поликомб және триторакс кешендерін пайдаланатыны белгілі. Поликомб тобының ақуыздары хроматин құрылымын өзгерту арқылы Хокс гендерін үнсіздендіре алады.

Мутация

Гомеобокс гендеріндегі мутациялар дене сегменттерінің сәйкестігінде айқын байқалатын фенотиптік өзгерістерге алып келуі мүмкін, мысалы, Дрозофиладағы Антеннапедия және Биторакс мутантты фенотиптері сияқты. Гомеобокс гендерінің көбейіп кетуі жаңа дене сегменттерін қалыптастыруы мүмкін, және мұндай көбейіп кетулер сегменттелген жануарлардың эволюциясында маңызды рөл атқарған болуы ықтимал.

Эволюция

Гомеобокстың өзі MraY ферментінің C-ұшындағы ДНҚ-ға байланыспайтын трансмембраналық доменнен пайда болған болуы мүмкін. Бұл барлық эукариоттардың ата-тегіне ең жақын прокариот саналатын, өтпелі археон Lokiarchaeum-нан алынған метагеномдық деректерге негізделген. Гомеобокс гендерінің тізбектері мен гомеодомендік ақуыз құрылымдарының филогенетикалық талдауы, өсімдіктердің, саңырауқұлақтардың және жануарлардың соңғы ортақ ата-тегінде кем дегенде екі гомеобокс гені болғандығын көрсетеді. Молекулалық дәлелдер, Хокс гендерінің белгілі бір саны Книдарияларда ең алғашқы нағыз екіжақтылар пайда болудан бұрын-ақ болғанын көрсетеді, яғни бұл гендер палеозой дәуірінен бұрын пайда болған. Жануарлардың үш негізгі ANTP кластері – Hox, ParaHox және NK (MetaHox) – сегменттік дубликация нәтижесінде пайда болған. Бірінші дубликация MetaHox және ProtoHox-ты жасады, соңғысы кейін Hox және ParaHox болып дубликацияланды. Кластерлер бір ANTP класты гомеобокс генінің тандемді дубликациясы арқылы құрылды. Гендердің дубликациясы және одан кейінгі неофункционализация эукариоттардағы көптеген гомеобокс гендеріне жауапты. Гомеобокс гендері мен гендер кластерлерін салыстыру метазойлардың геном құрылымы мен дене морфологиясының эволюциясын түсінуге көмектесті.

Хокс гендері

Хокс гендері – гомеобокс гендерінің ең көп таралған кіші тобы. Олар – алдыңғы-артқы ось бойындағы эмбрионалдық аймақтардың сәйкестігін анықтайтын маңызды метазоандық гендер. Бірінші омыртқалы жануарлардың Хокс гені 1984 жылы Эдвард Де Робертис және оның әріптестері Ксенопуста бөліп алды. Бұл гендер жиынтығына қызығушылықтың себебі – олардың геномдағы ерекше мінез-құлқы мен орналасуы. Хокс гендері әдетте ұйымдасқан кластерлерде кездеседі. Кластер ішіндегі Хокс гендерінің тізбектік реті даму кезінде олардың уақыт және кеңістіктегі экспрессия ретімен тікелей байланысты. Бұл құбылыс коллинеарлық деп аталады. Бұл гомеотикалық гендердің мутациялары эмбриональды даму кезінде дене сегменттерінің орнын ауыстыруына алып келеді, бұл эктопия деп аталады. Мысалы, бір ген жоғалғанда сегмент алдыңғыға қарай дамиды, ал функцияның күшеюіне әкелетін мутация сегменттің артқыға қарай дамуына себеп болады. Белгілі мысалдар – Дрозофиладағы Antennapedia және bithorax, олар антенналардың орнына аяқтардың және тиісінше екі еселенген кеуде қуысының дамуына әкелуі мүмкін. Омыртқалы жануарлардағы төрт паралогты кластерлер функциясы жағынан ішінара қайталама, бірақ сонымен қатар бірнеше туынды функцияларды да қабылдады. Мысалы, HoxA және HoxD шеміршек осі бойында сегмент сәйкестігін анықтайды. Хокс отбасының нақты мүшелері матрицаның ыдырауындағы өзгерістерді, интегралдарды және ЭКМ компоненттерін реттеу арқылы тамырлардың қайта құрылуына, ангиогенезге және ауруларға қатысады. HoxA5 атеросклерозға ықпал етеді. HoxD3 және HoxB3 – бұл инвазивті, ангиогендік гендер, олар сәйкесінче b3 және a5 интегралдары мен ЭК жасушаларында Efna1-ді күшейтеді. HoxA3 эндотелиялық жасушалардың (EC) миграциясын MMP14 және uPAR-ді күшейту арқылы ынталандырады. Керісінше, HoxD10 және HoxA5 EC миграциясын және ангиогенезді басу және TIMP1-ді күшейту/uPAR және MMP14-ті төмендету, сондай-ақ Tsp2-ні күшейту/VEGFR2, Efna1, Hif1alpha және COX 2-ні төмендету арқылы адгезиялық қосылыстарды тұрақтандырудың кері әсерін тигізеді. Сонымен қатар, HoxA5 PTEN-ді төмендету арқылы ісікке қарсы p53 және Akt1-ді күшейтеді. HoxA5-тің өшірілуі гемангиоманың өсуін басады. HoxA5 ген экспрессиясына кең ауқымды әсер етеді, оның сүт безінің қатерлі жасушаларындағы индукциясынан кейін шамамен 300 геннің экспрессиясы жоғарылайды.

Hox genes are the most commonly known subset of homeobox genes. They are essential metazoan genes that determine the identity of embryonic regions along the anterior posterior axis. The first vertebrate Hox gene was isolated in Xenopus by Edward De Robertis and colleagues in 1984. The main interest in this set of genes stems from their unique behavior and arrangement in the genome. Hox genes are typically found in an organized cluster. The linear order of Hox genes within a cluster is directly correlated to the order they are expressed in both time and space during development. This phenomenon is called colinearity. Mutations in these homeotic genes cause displacement of body segments during embryonic development. This is called ectopia. For example, when one gene is lost the segment develops into a more anterior one, while a mutation that leads to a gain of function causes a segment to develop into a more posterior one. Famous examples are Antennapedia and bithorax in Drosophila, which can cause the development of legs instead of antennae and the development of a duplicated thorax, respectively. In vertebrates, the four paralog clusters are partially redundant in function, but have also acquired several derived functions. For example, HoxA and HoxD specify segment identity along the limb axis. Specific members of the Hox family have been implicated in vascular remodeling, angiogenesis, and disease by orchestrating changes in matrix degradation, integrins, and components of the ECM. HoxA5 is implicated in atherosclerosis. HoxD3 and HoxB3 are proinvasive, angiogenic genes that upregulate b3 and a5 integrins and Efna1 in ECs, respectively. HoxA3 induces endothelial cell (EC) migration by upregulating MMP14 and uPAR. Conversely, HoxD10 and HoxA5 have the opposite effect of suppressing EC migration and angiogenesis, and stabilizing adherens junctions by upregulating TIMP1/downregulating uPAR and MMP14, and by upregulating Tsp2/downregulating VEGFR2, Efna1, Hif1alpha and COX 2, respectively. HoxA5 also upregulates the tumor suppressor p53 and Akt1 by downregulation of PTEN. Suppression of HoxA5 has been shown to attenuate hemangioma growth. HoxA5 has far reaching effects on gene expression, causing ~300 genes to become upregulated upon its induction in breast cancer cell lines.

ЛИМ гендері

LIM гендері (сипаттамалық домен алғаш рет анықталған үш ақуыздың аттарының бас әріптерімен аталған) екі 60 аминқышқылынан тұратын цистеин және гистидинге толы LIM домендерін және гомеодоменді кодтайды. LIM домендері ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесулерде қатысады және мырыш молекулаларын байланыстыра алады. LIM доменді ақуыздар цитозольде де, ядрода да табылады. Олар цитоскелетті қайта құруда, фокустық адгезия орындарында, ақуыздық кешендерге тіреу ретінде және транскрипция факторлары ретінде жұмыс істейді.

Пакс гендері

Pax гендерінің көпшілігі homeobox және жұптасқан доменді қамтиды, бұл домендер ДНК-мен байланысып, байланыс ерекшелігін арттырады. Дегенмен, кейбір Pax гендері homeobox тізбегінің толығымен немесе бір бөлігін жоғалтқан. Pax гендері эмбрион сегментациясы, жүйке жүйесінің дамуы, маңдай көз аймақтарының қалыптасуы, қаңқа дамуы және бет пішіндерінің құрылуы процестерінде маңызды рөл атқарады. Pax 6 – көз дамуының негізгі реттеушісі, сондықтан бұл ген оптикалық қапшық пен одан кейін пайда болатын көз құрылымдарының дамуы үшін қажет.

POU гендері

POU аймағын қамтитын ақуыздар гомеодоменнен және екі спиральді спиральді мотивтерден тұратын, ДНК-ға байланысатын, құрылымдық жағынан гомолог POU доменінен тұрады. Екі домен ДНК спиралінің айналасына созылатын жеткілікті ұзын икемді тізбекше арқылы байланыстырылған, бұл екі доменге нысаналық ДНК-ның қарама-қарсы жақтарына байланысуға мүмкіндік береді, олар бірлесіп 5' ATGCAAAT 3' консенсустық тізбегімен сегіз негіздік сегментті қамтиды. POU ақуыздарының жеке домендері ДНК-ға нашар байланысады, бірақ байланысқанда күшті тізбектік таңдаулылық көрсетеді. POU доменінің өзі бактериофагтарда, әсіресе ламбда-фагта экспрессияланатын репрессорлармен маңызды құрылымдық ұқсастықтарға ие.

Өсімдіктердің гомеобокс гендері

Жануарлардағыдай, өсімдіктердің гомеобокс гендері әдетте 60 аминқышқылдық ДНК-ға байланысатын гомеодоменді, ал TALE (үш аминқышқылдық циклді кеңейтім) гомеобокс гендері болса 63 аминқышқылдан тұратын ерекше гомеодоменді кодтайды. Олардың сақталған интрон-экзондық құрылымы және бірегей кодоменалық архитектураларына сәйкес, олар 14 жеке классқа бөлінген: HD ZIP I-IV, BEL, KNOX, PLINC, WOX, PHD, DDT, NDX, LD, SAWADEE және PINTOX, сондай-ақ TALE емес гомеодоменді ақуыздар.