Гены Homeobox и развитие анатомии: от мутаций к формированию организма.

Введение

Шаблон ДНК, влияющий на развитие анатомии.

Гомеобокс – это последовательность ДНК длиной около 180 пар оснований, которая регулирует крупные анатомические признаки на ранних стадиях эмбрионального развития. Мутации в гомеобоксе могут изменять крупные анатомические признаки взрослого организма. Гомеобоксы обнаруживаются в генах, участвующих в регуляции паттернов анатомического развития (морфогенеза) у животных, грибов, растений и многочисленных одноклеточных эукариот. Белки гомеодомена регулируют экспрессию генов и дифференцировку клеток в ходе раннего эмбрионального развития, поэтому мутации в генах гомеобокса могут вызывать нарушения развития. Гомеозис – термин, введенный Уильямом Бейтсоном для описания полной замены одной дискретной части тела другой, например, замена антенны на голове плодовой мушки ногами. Префикс "гомео" в словах "гомеобокс" и "гомеодомен" происходит от этого мутационного фенотипа, который наблюдается при мутациях некоторых из этих генов у животных. Домен гомеобокса был впервые идентифицирован в ряде гомеотических и сегментационных белков дрозофилы, но теперь известно, что он хорошо консервативен у многих других животных, включая позвоночных.

Открытие

Существование генов гомеобокса впервые было обнаружено у дрозофилы при выделении гена, ответственного за гомеотическую трансформацию, когда на месте антенн вырастают ноги. Уолтер Геринг идентифицировал ген, названный *антеннапедия*, который вызывал этот гомеотический фенотип. Анализ гена *антеннапедия* показал, что он содержит последовательность из 180 пар оснований, кодирующую ДНК-связывающий домен, который Уильям МакГиннис назвал "гомеобокс". О существовании дополнительных генов дрозофилы, содержащих последовательность гомеобокса гена *антеннапедия*, независимо сообщили Эрнст Хафен, Майкл Левин, Уильям МакГиннис и Уолтер Якоб Геринг из Базельского университета в Швейцарии, а также Мэтью П. Скотт и Эми Вайнер из Университета Индианы в Блумингтоне в 1984 году. Выделение гомологичных генов Эдвардом де Робертисом и Уильямом МакГиннисом показало, что гомеобокс содержится в многочисленных генах различных видов. Последующие филогенетические исследования, детализирующие эволюционные взаимосвязи между генами, содержащими гомеобокс, продемонстрировали, что эти гены присутствуют у всех двустороннесимметричных животных.

Специфика последовательности

Гомеодомены могут связываться как специфически, так и неспецифически с B-ДНК, при этом C-концевая спираль распознавания ориентируется в главной бороздке ДНК, а неструктурированный пептидный "хвост" на N-конце – в малой бороздке. Спираль распознавания и петли между спиралями богаты остатками аргинина и лизина, которые формируют водородные связи с основой ДНК. Сохраненные гидрофобные остатки в центре спирали распознавания способствуют стабилизации упаковки спирали. Белки гомеодомена проявляют предпочтение к последовательности ДНК 5' TAAT 3'; связывание, не зависящее от последовательности, происходит со значительно более низкой аффинностью. Специфичности одного белка гомеодомена обычно недостаточно для распознавания специфических промоторов генов-мишеней, что делает связывание кофакторов важным механизмом для контроля специфичности связывания и экспрессии генов-мишеней. Для достижения более высокой специфичности к мишеням белки гомеодомена образуют комплексы с другими факторами транскрипции для распознавания промоторной области конкретного гена-мишени.

Биологическая функция

Белки гомеодомена функционируют как факторы транскрипции благодаря способности консервативного мотива HTH связываться с ДНК. Белки гомеодомена рассматриваются как главные регуляторные гены, то есть один белок способен регулировать экспрессию множества генов-мишеней. Белки гомеодомена направляют формирование осей тела и структур тела на ранних стадиях эмбрионального развития. Многие белки гомеодомена индуцируют клеточную дифференцировку, запуская каскады скоординированно регулируемых генов, необходимых для формирования отдельных тканей и органов. Другие белки этого семейства, такие как NANOG, участвуют в поддержании плюрипотентности и предотвращении дифференцировки клеток.

Регулирование

Гены Hox и связанные с ними микроРНК — высококонсервативные главные регуляторы развития, обладающие строгим тканеспцифическим и пространственно-временным контролем. Известно, что экспрессия этих генов нарушена при многих видах рака и часто регулируется метилированием ДНК. Регуляция генов Hox чрезвычайно сложна и включает в себя взаимные, преимущественно ингибирующие взаимодействия. У дрозофилы поликомбные и тритораксные комплексы используются для поддержания экспрессии генов Hox после снижения активности генов парного ряда и генов разрывов, происходящего в ходе развития личинки. Белки поликомбной группы способны подавлять экспрессию генов Hox посредством модуляции структуры хроматина.

Мутации

Мутации в генах гомеобокса могут вызывать легко наблюдаемые фенотипические изменения в идентичности сегментов тела, например, мутантные фенотипы Antennapedia и Bithorax у дрозофилы. Дупликация генов гомеобокса может приводить к образованию новых сегментов тела, и такие дупликации, вероятно, сыграли важную роль в эволюции сегментированных животных.

Эволюция

Сама гомеобокс, возможно, эволюционировала из трансмембранного домена, не связывающего ДНК, на C-конце фермента MraY. Это основано на метагеномных данных, полученных из переходного архея Lokiarchaeum, который считается прокариотом, наиболее близким к предку всех эукариот. Филогенетический анализ последовательностей генов гомеобокса и структур белков гомеодомена предполагает, что последний общий предок растений, грибов и животных обладал как минимум двумя генами гомеобокса. Молекулярные данные свидетельствуют о том, что некоторое ограниченное число генов Hox существовало у книдарий еще до появления самых ранних настоящих билатерий, что делает эти гены более древними, чем палеозой. Принято считать, что три основных кластера ANTP у животных – Hox, ParaHox и NK (MetaHox) – являются результатом сегментарных дупликаций. Первоначальная дупликация создала MetaHox и ProtoHox, последний из которых впоследствии дуплицировался в Hox и ParaHox. Сами кластеры образовались в результате тандемных дупликаций единого гена класса ANTP. Дупликация генов, сопровождаемая неофункционализацией, ответственна за множество генов гомеобокса, обнаруженных у эукариот. Сравнение генов гомеобокса и генных кластеров используется для понимания эволюции структуры генома и морфологии тела у метазоев.

Гены Хокс

Гены Hox являются наиболее известным подмножеством генов homeobox. Это важные гены метазоев, определяющие идентичность эмбриональных регионов вдоль передне-задней оси. Первый ген Hox у позвоночных был выделен у Xenopus Эдвардом Де Робертисом и его коллегами в 1984 году. Основной интерес к этому набору генов обусловлен их уникальным поведением и организацией в геноме. Гены Hox обычно расположены в организованном кластере. Линейный порядок генов Hox внутри кластера напрямую коррелирует с порядком их экспрессии во времени и пространстве в процессе развития. Это явление называется коллинеарностью. Мутации в этих гомеотических генах вызывают смещение сегментов тела в ходе эмбрионального развития, что называется эктопией. Например, потеря одного гена приводит к развитию более переднего сегмента, в то время как мутация, приводящая к усилению функции, вызывает развитие более заднего сегмента. Известными примерами являются Antennapedia и bithorax у Drosophila, которые могут вызывать развитие ног вместо антенн и дупликацию груди, соответственно. У позвоночных четыре паралоговых кластера частично избыточны по функции, но также приобрели ряд производных функций. Например, HoxA и HoxD определяют идентичность сегментов вдоль оси конечности. Определенные члены семейства Hox вовлечены в ремоделирование сосудов, ангиогенез и развитие заболеваний, регулируя изменения в деградации матрикса, интегранах и компонентах внеклеточного матрикса (ECM). HoxA5 играет роль в атеросклерозе. HoxD3 и HoxB3 – это проинвазивные, ангиогенные гены, которые повышают экспрессию интегранов β3 и α5, а также Efna1 в эндотелиальных клетках (ECs). HoxA3 индуцирует миграцию эндотелиальных клеток (ECs) путем повышения экспрессии MMP14 и uPAR. В то же время, HoxD10 и HoxA5 оказывают противоположное действие, подавляя миграцию EC и ангиогенез, а также стабилизируя адгезионные соединения за счет повышения экспрессии TIMP1 и снижения экспрессии uPAR и MMP14, а также повышения экспрессии Tsp2 и снижения экспрессии VEGFR2, Efna1, Hif1alpha и COX 2. HoxA5 также повышает экспрессию опухолевого супрессора p53 и Akt1 путем снижения экспрессии PTEN. Подавление HoxA5 показало способность ослаблять рост гемангиом. HoxA5 оказывает широкое влияние на экспрессию генов, вызывая повышение экспрессии около 300 генов при его индукции в клеточных линиях рака молочной железы.

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.

Гены ЛИМ

Гены LIM (названные по первым буквам названий трех белков, в которых был впервые идентифицирован характерный домен) кодируют два LIM-домена, богатых цистеином и гистидином, каждый из которых состоит из 60 аминокислот, а также гомеодомен. LIM-домены участвуют во взаимодействиях между белками и способны связывать ионы цинка. Белки, содержащие LIM-домены, обнаруживаются как в цитозоле, так и в ядре. Они участвуют в ремоделировании цитоскелета, в точках фокальной адгезии, служат каркасом для белковых комплексов и действуют как факторы транскрипции.

Пакс гены

Большинство генов Pax содержат гомеобокс и парный домен, которые также связываются с ДНК, повышая специфичность связывания, хотя в некоторых генах Pax вся или часть последовательности гомеобокса утрачена. Гены Pax участвуют в сегментации эмбриона, развитии нервной системы, формировании лобных глазных полей, развитии скелета и образовании структур лица. Pax6 является ключевым регулятором развития глаза, поскольку этот ген необходим для развития зрительного пузырька и последующих структур глаза.

Гены POU

Белки, содержащие POU-область, состоят из гомеодомена и отдельного, структурно гомологичного POU-домена, который содержит два мотива "спираль-поворот-спираль" и также связывает ДНК. Эти два домена соединены гибкой петлей, достаточно длинной, чтобы охватить ДНК-спираль, позволяя обоим доменам связываться с противоположных сторон целевой ДНК и совместно покрывать сегмент в восемь пар оснований с консенсусной последовательностью 5' ATGCAAAT 3'. Отдельные домены POU-белков связывают ДНК слабо, но проявляют сильное сродство к последовательности при их соединении. Сам POU-домен обладает значительным структурным сходством с репрессорами, экспрессируемыми в бактериофагах, в частности, ламбда-фаге.

Гены гомеобокса растений

Как и у животных, гены гомеобокса растений кодируют типичный 60 аминокислотный ДНК-связывающий гомеодомен или, в случае генов гомеобокса TALE (расширение трех аминокислотной петли), атипичный гомеодомен, состоящий из 63 аминокислот. В соответствии с их консервативной интрон-экзонной структурой и уникальной архитектурой кодоменов они были сгруппированы в 14 различных классов: HD ZIP I–IV, BEL, KNOX, PLINC, WOX, PHD, DDT, NDX, LD, SAWADEE и PINTOX, а также белки, не содержащие TALE гомеодомен.