Кіріспе

Генос тобы Хокс гендері - гомеобокс гендерінің кіші тобы, жануарлардың бас-құйрық осінің бойымен эмбриондардың дене жоспарының аймақтарын анықтайтын туысқан гендер тобы. Хокс ақуыздары "орын" сипаттамаларын кодтайды және анықтайды, бұл денеде дұрыс орында дұрыс құрылымдардың қалыптасуын қамтамасыз етеді. Мысалы, жәндіктердегі Хокс гендері сегментте қандай қосымшалар пайда болатынын анықтайды (мысалы, жеміс құстарының аяқтары, антенналары және қанаттары), ал омыртқалы жануарлардағы Хокс гендері омыртқалардың түрлерін және пішінін анықтайды. Сегменттелген жануарларда Хокс ақуыздары сегменттік немесе позициялық сәйкестікті береді, бірақ нақты сегменттерді құрамайды. Қашықтықты ұрықтардағы Хокс гендерін зерттеу олардың тек болашақ ересек тіндерде ғана экспрессияланатындығын көрсетті. Метаморфоздың бірте-бірте жалғасуы бар личинкаларда Хокс гендері личинканың денесінің тіндерінде, әдетте, түбір аймағында белсендіріледі, ол метаморфоз арқылы сақталады. Толық метаморфозданған личинкаларда Хокс гендері негізінен жас личинкаларда экспрессияланады және өтпелі личинкалар тіндерінде жоқ. Schizocardium californicum гемикордты түрінің және Nemertea pilidium личинкасының личинкалары Хокс гендерін экспресс етпейді. Хокс гендерін актерлердің келесі орындайтын сахнасын белгілейтін драма режиссерінің рөліне ұқсатуға болады. Егер драманың режиссері сахналарды дұрыс емес тәртіппен көрсеткен болса, онда пьесаның жалпы мазмұны дұрыс емес тәртіппен көрсетіледі. Сол сияқты, Хокс гендеріндегі мутациялар дене мүшелері мен аяқ-қолдардың дене бойымен дұрыс емес орындарында болуына әкелуі мүмкін. Пьесаның режиссері сияқты Хокс гендері де пьесада ойнамайды немесе аяқ-қолдың қалыптасуына қатыспайды. Әрбір Хокс генінің ақуыздық өнімдері транскрипция факторы болып табылады. Әрбір Хокс генінде гомеобокс деп аталатын жақсы сақталған ДНК тізбегі болады, оның ішінде "Хокс" термині бастапқыда қысқарту болды. Алайда, қазіргі қолданыста Хокс термині гомеобокспен тең емес, өйткені Хокс гендері гомеобокс тізбекті иеленетін жалғыз гендер емес; мысалы, адамдарда 200-ден астам гомеобокс гендері бар, оның 39-ы Хокс гендері. Сонымен, Хокс гендері гомеобокс транскрипция факторлары гендерінің кіші жиынтығы болып табылады. Көптеген жануарларда хромосомадағы Хокс гендерінің ұйымдастырылуы олардың дамушы жануардың алдыңғы артқы осі бойымен экспрессиясының тәртібімен бірдей, сондықтан олар колинеарлықты көрсетеді. Организмдегі дұрыс емес жерде Хокс гендерінің өнімдерін өндіру метаплазиямен байланысты және онкологиялық ауруларға бейімделеді, мысалы, Барретттің тамақ қуысы өзгерген Хокс кодының нәтижесі болып табылады және тамақ қуысының қатерлі ісігінің алғышарты болып табылады.

Қорғау

Гомеобокс гендері, яғни гомеодомен ақуыз мотивтері эукариоттардың көпшілігінде кездеседі. Хокс гендері гомеобокс гендерінің кіші жиынтығы болып табылатындықтан, жануарлар әлемі немесе метазоалар ішіндегі эволюция кезінде жақында пайда болды. Жануарлар әлеміне қатысты Хокс гендері екі жақты кездеседі Хокс ақуыздарының гомеодомендік реттілігін салыстыру көбінесе бір түрге қарағанда түрлер арасындағы үлкен ұқсастықты көрсетеді; бұл байқау Хокс гендері кластерлері жануарлар эволюциясының басында бір Хокс генінен тандемді дубляциялау және одан кейінгі дивергенция арқылы дамыды деген тұжырымға әкелді және барлық екі жақты жануарлардың ортақ ата-бабасында кем дегенде жеті түрлі Хокс гендерін қамтитын прототиптік Хокс гендері кластері болды. Көптеген қос жынысты жануарларда Хокс гендері ұрықтың басынан құйрығына дейінгі осьте сатылы домендерде экспрессияланады, бұл олардың орнын анықтаудағы рөлі ортақ, ежелгі ерекшелік екенін көрсетеді. Хокс ақуыздарының функционалдық сақталуын шыбық өз орнына тауық Хокс ақуызын көп мөлшерде пайдалана алатынымен дәлелдеуге болады. Сонымен, 550 миллион жыл бұрын өмір сүрген соңғы жалпы ата-бабаға қарамастан, Hox генінің тауық пен ұш нұсқасы бір-біріне ұқсас, олар ұштардың төменгі ағысындағы бірдей гендерді мақсат етеді.

Дрозофилада

Дрософила меланогастер - дене жоспарының пайда болуы мен эволюциясын түсінудің маңызды моделі. Ұшаларда анықталған Хокс генінің функциясы мен логикасының жалпы қағидалары барлық екіжақты организмдерге, соның ішінде адамға да қолданылады. Дрозофиланың, барлық жәндіктер сияқты, сегіз Хокс гені бар. Бұл екі кешенге топталған, екеуі де 3-хромосомада орналасқан. Антеннапедия кешені (Антп генінмен шатастырмау керек) бес геннен тұрады: лабиалдық (лаб), пробосипидия (пб), деформацияланған (Дфд), жыныстық тарамыштар азайтылған (Скр) және Антеннапедия (Антп). Ultrabithorax генінің аты берілген Bithorax кешені қалған үш геннен тұрады: Ultrabithorax (Ubx), abdominal A (abd A) және abdominal B (abd B).

Тіл тістері

Лабораториялық ген - ең көп экспрессияланатын ген. Ол басты түрде бас, негізінен интеркалярлық сегментте (антенна мен жамбас арасындағы қосымшасыз сегмент), сондай-ақ ортаңғы ішекте көрінеді. Лабораториялық функциялардың жоғалуы нәтижесінде Drosophila эмбрионының ауыз және бас құрылымдарын ішкілендіруі мүмкін емес, олар бастапқыда оның денесінің сыртында дамиды (бас инволюциясы деп аталатын процесс). Бас инволюциясының бұзылуы сілекей бездері мен жұтқыншақты бұзады немесе жояды. Лабораториялық ген бастапқыда лабиалдық қосымшаны бұзғаны үшін аталған; дегенмен, лабиалдық ген лабиалдық сегментте экспрессияланбайды, ал лабиалдық қосымшаның фенотипі, ықтимал, бас инволюциясының сәтсіздікінен туындаған кең дезорганизацияның нәтижесі.

Ауыртпалық

Pb генінің арқасында лабиальды және максилярлық пальптар пайда болады. Кейбір дәлелдер pb Scr-мен өзара әрекеттеседі.

Бұзылуы

Dfd генінің арқасында личинканың бас жамбас және төменгі жақ жақ сүйектері пайда болады. Dfd-нің мутантты фенотиптері лабиалдың фенотиптеріне ұқсас. Дфд функциясының жоғалуы ұрықта бас инволюциясының бұзылуына (лабиалдық генді қараңыз) әкеледі, бұл личинканың бас құрылымдарының жоғалуына әкеледі. Ересектегі мутациялар басының кейбір бөліктерінің жойылуына немесе басының көкірекке айналуына әкеледі.

Антеннапедия

Екінші кеуде бөлігі немесе T2 аяқ пен қанатты жұпқа айналады. Antp генінің бұл сәйкестігін аяқ түзілуін ынталандыру және қанаттар түзілуін рұқсат ету (бірақ тікелей белсендірілмеу) арқылы анықтайды. Хромосомалық инверсиядан туындаған басым Antp мутациясы Antp-ның антенналық бейнелі дискіде экспрессиялануына себеп болады, сондықтан антеннаны қалыптастырудың орнына диск аяқ жасайды, нәтижесінде құстың басынан аяқ шығады.

Ultrabithorax (көктің артқы жағы)

Үшінші кеуде сегменті немесе T3 екі аяқ және екі халтера (ұшу кезінде теңгерімде жұмыс істейтін өте қысқа қанаттар) болады. Ubx негізінен қанатты қалыптастыруға қатысы бар гендерді басу арқылы T3 үлгілерін қалыптастырады. Қанат қақпағы бір-біріне қатты жабысқан екі қабат клеткадан тұрады және бірнеше қанат тамырлары арқылы қорекпен қамтамасыз етіледі. Ubx басқарған көптеген гендердің бірі - бұл жасуша жасушаларының жабысуына қатысы бар белоктарды белсендіретін және қанатты тамырлардың орналасуын қалыптастыратын сплит. Ubx функциясының жоғалуындағы мутанттарда Ubx енді қанатты гендерді баспайды, ал гальтерлер екінші пар қанаттар ретінде дамиды, нәтижесінде атақты төрт қанатты ұш пайда болады. Ubx екінші кеуде сегментінде дұрыс экспрессияланбағанда, мысалы "Cbx" күшейтуші мутациясы бар ұшаларда кездесетініндей, ол қанатты гендерді басады, ал қанаттар галтер ретінде дамиды, нәтижесінде төрт галтерлі ұш пайда болады.

Асқазан-А

Дрозофилада abd A іштің көп бөлігінде, 1-ден (A1) А8 - ге дейінгі іш сегменттерінде көрінеді. Abd A-ны көрсету іштің көптеген сегменттерін анықтау үшін қажет. Жәндіктердегі abd A-ның негізгі қызметі - аяқ-қолдың қалыптасуын басу. Абод А функциясының жоғалуындағы мутанттарда А2 - А8 аралығындағы іштің сегменттері А1 - ге ұқсас жекелікке айналады. Abd A бүкіл эмбрионда эктопиялық түрде көрсетілгенде, A4 алдыңғы сегменттерінің барлығы A4 тәрізді құрсақ сәйкестігіне айналады. Үш сыныптау схемалары дене осі ортасында экспрессияланатын Hox ақуыздары үшін қарама-қайшы ақпаратты ұсынады (Hox6 8 және Antp, Ubx және abd A). Комбинирленген тәсіл әр түрлі түрлердің филогенетикалық қорытындыға негізделген ақпаратын пайдаланып, түрдің филогенетикалық ағашына ақуыздар реттілік түрлерін сызды. Бұл әдіс ата-бабалық түрлерді (Hox7 және Antp) ең жақсы көрсететін ақуыздарды және жаңа, туынды нұсқаларды білдіретін ақуыздарды анықтады (немесе ата-бабада жоғалып, қазір көптеген түрлерде жоқ).

Гомеодомендермен байланысты күшейтуші тізбектер

Гомеодомен ақуызмен байланысқан ДНҚ тізбекінде ТААТ нуклеотидті тізбек бар, 5' терминалы Т байланысу үшін ең маңызды болып табылады. Бұл реттілік гомеодомендер таныған барлық сайттарда сақталады және, мүмкін, ДНҚ-ның байлау сайттары сияқты орындарды ажыратады. Осы бастапқы реттіліктегі негіз жұптары гомеодоменді ақуыздарды ажырату үшін қолданылады, олардың барлығы бірдей тану орындарына ие. Мысалы, TAAT тізбекінен кейінгі нуклеотид гомеодомен ақуыздың 9-орындағы амин қышқылымен танылады. Аналық белок бикоидте бұл орынды лизин алады, ол нуклеотид гуанинді таниды және оған байланады. Антеннапедияда бұл орынды глютамин алады, ол аденоинді таниды және оған байланады. Егер Bicoid- тің лизині глютаминмен алмастырылса, пайда болған белок Antennapedia- нің байланысуын күшейтетін орындарды таниды. Алайда, барлық гомеодоменді құрайтын транскрипциялық факторлар негізінен бір ДНК тізбекті байлайды. Хокс ақуызының гомеодоменамен байланысты тізбекті тек алты нуклеотидті құрайды, және мұндай қысқа тізбек геном бойынша кездейсоқ көптеген рет кездеседі, бұл нақты функционалдық сайттардың санынан әлдеқайда көп. Әсіресе, қате экспрессияланғанда морфологияда осындай күрт өзгерістерді туғызатын Хокс ақуыздары үшін, егер олар бірдей реттілікпен байланыса, әр транскрипция факторы осындай ерекше және әртүрлі нәтижелерді қалай шығара алады деген сұрақ туындайды. Хокс ақуыздарына ДНК тізбектерінің ерекшелігін арттыратын механизмдердің бірі - ақуыз кофакторларын байлау. Мұндай екі Хокс кофакторы экстрадентикл (Exd) және гомоторакс (Hth) болып табылады. Exd және Hth Хокс ақуыздарына байланады және оның ерекшелігін арттыратын Хокс ақуызында конформациялық өзгерістерді тудырады.

Хокс гендерін реттеу

Хокс гендері реализатор гендерін реттегендей, олар өз кезегінде басқа гендермен реттеледі. Дрозофилада және кейбір жәндіктерде (бірақ жануарлардың көпшілігі емес) Хокс гендері аралық гендерімен және жұптық ереже гендерімен реттеледі, олар өз кезегінде аналық қамтамасыз етілген мРНК-мен реттеледі. Бұл транскрипция факторларының каскадына әкеледі: аналық факторлар ажырымды немесе жұптық ережені гендерді белсендіреді; ажырымды және жұптық ережені гендер Хокс гендерін белсендіреді; содан кейін, ақыр соңында, Хокс гендері дамушы эмбриондағы сегменттерді ажырататын реализатор гендерін белсендіреді. Регуляция морфогендік өрістер деп аталатын ақуыз концентрациясының градиенттері арқылы жүзеге асырылады. Мысалы, бір аналық белоктың жоғары концентрациясы мен басқалардың төмен концентрациясы белгілі бір бос немесе жұптық гендерді іске қосады. Ұшаларда 2-ші жолақ эмбриондағы аналық белоктар Bicoid және Hunchback арқылы белсендіріледі, бірақ ол Giant және Kruppel аралық белоктары арқылы басылады. Осылайша, 2-ші жолақ тек Бикоид пен Хунчбек бар жерде ғана пайда болады, бірақ Гигант пен Круппель бар жерде емес. Хокс кластерлерінде орналасқан микроРНК желілері көбірек алдыңғы хокс гендерін ("арғы таралу құбылысы") тежейтіндігі көрсетілді, мүмкін оның экспрессия үлгісін жақсырақ реттеу үшін. Хокс кластерлерінде кодтамайтын РНК (ncRNA) көп екені анықталды. Адамда 231 нкРНК болуы мүмкін. Олардың бірі HOTAIR, поликомб тобының ақуыздарына (PRC2) байлану арқылы транс (ол HOXC кластерінен транскрипцияланады және HOXD гендерін кеш тежейді) үндемейді. Хроматин құрылымы транскрипция үшін өте маңызды, бірақ ол кластердің хромосома аумағынан шығып кетуін талап етеді. Жоғары жануарларда, соның ішінде адамда ретино қышқылы Хокс гендерінің антеропостериорлық ос бойымен дифференциалдық экспрессиясын реттейді. Хокс кластерлерінің 3' ұштарындағы гендер ретино қышқылымен индуциралады, нәтижесінде экспрессия домендері денеде алдыңғы жағына қарай кеңейеді, ал 5' Хокс гендері ретино қышқылымен индуцираланбайды, нәтижесінде экспрессия домендері артқы жағына қарай жалғасады. ПТР-ның сандық әдісі колинеарлық байланысқа қатысты бірнеше үрдістерді көрсетті: жүйе тепе-теңдікте және транскрипттердің жалпы саны сызықтық қатынасқа сәйкес гендердің санына байланысты.

Колинеарлық

Кейбір организмдерде, әсіресе омыртқалыларда, әр түрлі Хокс гендері бір-біріне өте жақын орналасқан. Хромосомадағы гендердің реті дамушы эмбриондағы гендердің экспрессиясымен бірдей, бірінші ген дамушы организмнің алдыңғы шетінде экспрессияланады. Бұл коллинеарлықтың себебі әлі толық түсініксіз, бірақ хроматиннің гендер кластері бойымен біртіндеп бөлінуі арқылы Хокс гендерінің уақытша реттілікте белсендірілуімен байланысты болуы мүмкін.

Номенклатура

Хокс гендері олардың функциясы бұзылған кезде пайда болатын гомеотиялық фенотиптер үшін аталады, мұнда бір сегмент екіншісінің сәйкестігімен (мысалы, антенналар болуы керек аяқтар) дамиды. Әр түрлі филалардағы Хокс гендеріне әр түрлі атаулар берілген, бұл номенклатура туралы шатасуға әкелді. Дрозофиладағы Хокс гендерінің жиынтығы екі кластерден тұрады, олар Antennapedia кешені және Bithorax кешені, олар тарихи түрде HOM C (гомеотиялық кешен үшін) деп аталады. Тарихи түрде HOM C гендері Drosophila гомологтарына, ал Hox гендері омыртқалы жануарлардың гомологтарына қатысты болса да, бұл айырмашылық енді жасалмайды және HOM C және Hox гендері Hox гендері деп аталады.

Амфиокс

Branchiostoma floridae сияқты Amphioxus-та 15 генді құрайтын бір Hox кластері бар, ол AmphiHox1 - AmphiHox15 деп аталады.

Басқа омыртқасыздар

Алты Хокс гендері Caenorhabditis elegans - дөңгелек құрттың геномында таралған. Hydra және Nematostella vectensis, екеуі де Cnidaria түрінде, бірнеше Hox / ParaHox сияқты гомеобокс гендері бар. Хокс генінің экспрессиялары брахиоподтарда, анелидтерде және моллюскалардың бір тобында зерттелді.

Тарих

Хокс гендері осылай аталады, өйткені ондағы мутациялар гомеотиялық трансформацияларға әкеледі. Гомеотиялық трансформацияларды алғаш рет 1894 жылы Уильям Бейтсон анықтап, зерттеді, ол "гомеоз" терминін қолданды. Мендельдің генетикалық принциптерін қайтадан ашқаннан кейін Бейтсон және басқалар геномикалық өзгерістерге байланысты гүлдердегі ағзалар мен жануарлар қаңқасындағы гомеозға қатысты кейбір мысалдар бар екенін түсінді. Кейбір гомеотиялық трансформациялардың генетикалық негізінің нақты дәлелі гомеотиялық мутанттарды оқшаулау арқылы алынды. Алғашқы гомеотиялық мутантты 1915 жылы Томас Хант Морганның зертханасында Кальвин Бриджес тапты. Бұл мутанттың көкірек жағының жартылай көбейгенін көрсетеді, сондықтан оны Биторакс (bx) деп атады. Ол үшінші кеуде сегментін (T3) екінші (T2) сегментке қарай түрлендіреді. Биторакс зертханада өздігінен пайда болды және сол кезден бері зертханалық қор ретінде үздіксіз сақталып келеді. Морганның және басқалардың генетикалық зерттеулері Эдвард Б. Льюис пен Томас Кауфманның жүйелі талдауларына негіз болды, олар Биторакс пен Антеннапедия кешендерінің көптеген гомеотиялық гендерінің алдын ала анықтамасын берді, сондай-ақ бұл гендердің көпшілігінің мутантты фенотиптері эмбрионалды дене жоспарындағы ақауларды үлгілеуге қайтарылатынын көрсетті. Эд Льюис, Кристиан Нусслейн Вольхард және Эрик Ф. Вишаус 1980 жылы D. melanogaster жеміс құсының дене жоспарын және дене сегменттерінің қалыптасуын анықтау үшін маңызды 15 генді анықтады және жіктеді. Олардың еңбегі үшін Льюис, Нусслейн Вольхард және Вишаус 1995 жылы физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығын алды. 1983 жылы гомеобоксты екі зертханадағы зерттеушілер өз бетінше тапты: Эрнст Хафен, Майкл Левин және Уильям МакГиннис (Базель университетіндегі Уолтер Герингтің зертханасында, Швейцария) және Мэтью П. Скотт пен Эми Вайнер (Блумингтондағы Индиана университетіндегі Томас Кауфманның зертханасында).

Болашақ

Хокс гендері дене мүшелері, өкпе, жүйке жүйесі және көз сияқты құрылымдардың дамуында маңызды рөл атқарады. Т. Р. Лаппин және оның әріптестері 2006 жылы "Эволюциялық консервация Хокс генінің желісінің функционалдық бақылауын эксперименттік зерттеуге шексіз мүмкіндік береді, бұл адам ауруларына маңызды түсінік береді" деп атап көрсетті. Болашақта Хокс гендерінің лейкемия мен қатерлі ісіктердегі рөлін зерттеу бойынша (мысалы, EOC) көбірек зерттеулер жүргізілуі мүмкін.