Введение

Группа генов Гены Хокс, подмножество генов гомеобокса, представляют собой группу родственных генов, которые определяют области плана тела эмбриона вдоль оси головы и хвоста животных. Хокс-белки кодируют и определяют характеристики "позиции", обеспечивая формирование правильных структур в правильных местах тела. Например, гены Хокса у насекомых определяют, какие придатки образуются на сегменте (например, ноги, антенны и крылья у плодовых мух), а гены Хокса у позвоночных определяют тип и форму позвонков, которые будут формироваться. Таким образом, у сегментированных животных белки Хокс дают сегментальную или позиционную идентичность, но сами не образуют фактических сегментов. Исследования генов Хокса у ларв показали, что они экспрессируются только в будущих взрослых тканях. У личинок с постепенной метаморфозой гены Хокса активируются в тканях тела личинок, как правило, в области ствола, которые будут поддерживаться в процессе метаморфозы. У личинок с полной метаморфозой гены Хокса выражены в основном в молодых рудиментах и отсутствуют в тканях переходных личинок. Личинки гемикордальных видов Schizocardium californicum и личинки pilidium Nemertea не экспрессируют гены Hox. Аналогию для генов Хокса можно провести с ролью театрального режиссера, который определяет, какую сцену актеры должны выполнить дальше. Если режиссер назвал сцены в неправильном порядке, то пьеса будет представлена в неправильном порядке. Аналогичным образом мутации в генах Хокса могут привести к тому, что части тела и конечности окажутся в неправильном месте вдоль тела. Как и режиссер пьесы, гены Хокса не играют в пьесе или сами участвуют в формировании конечностей. Белокожий продукт каждого гена Хокса является фактором транскрипции. Каждый ген Хокса содержит хорошо сохранившуюся последовательность ДНК, известную как гомеобокс, из которой термин "Хокс" изначально был сокращением. Однако в современном употреблении термин Hox больше не эквивалентен homeobox, потому что гены Hox не являются единственными генами, обладающими последовательностью homeobox; например, у людей более 200 генов homeobox, из которых 39 - это гены Hox. Таким образом, гены Хокс являются подмножеством генов гомеобоксного фактора транскрипции. У многих животных организация генов Хокса в хромосоме такая же, как и порядок их экспрессии вдоль передней задней оси развивающегося животного, и, таким образом, говорят, что они демонстрируют коллинейность. Производство продуктов гена Хокса в неправильном месте в организме связано с метаплазией и предрасполагает к онкологическим заболеваниям, например, пищевод Барретта является результатом изменения кодирования Хокса и является предшественником рака пищевода.

Сохранение

Гены гомеобокса, и, следовательно, протеиновый мотив гомеодомена, встречаются у большинства эукариотов. Гены Хокс, являющиеся подмножеством генов гомеобокса, возникли совсем недавно в эволюции в пределах животного царства или метазоа. В животном царстве гены Хокс присутствуют в двусторонних системах. Сравнение последовательностей гомеодомена между белками Хокс часто показывает большее сходство между видами, чем внутри вида; это наблюдение привело к выводу, что кластеры генов Хокс развились в начале эволюции животных из одного гена Хокс через тандемовое дублирование и последующее расхождение, и что прототипический кластер генов Хокс, содержащий по крайней мере семь различных генов Хокс, присутствовал в общем предке всех двусторонних животных. У большинства двусторонних животных гены Хокса экспрессируются в смежных областях вдоль оси от головы до хвоста эмбриона, что предполагает, что их роль в определении положения является общей, древней особенностью. Функциональное сохранение белков Hox может быть продемонстрировано тем фактом, что муха может функционировать в большой степени с куриным белком Hox вместо своего собственного. Таким образом, несмотря на то, что у них есть последний общий предк, который жил более 550 миллионов лет назад, версия одного и того же гена Хокса у курицы и мухи достаточно похожа, чтобы нацелиться на те же гены, что и у мух.

В дрозофиле

Drosophila melanogaster является важной моделью для понимания генерации и эволюции плана тела. Общие принципы функции и логики гена Хокса, выясненные у мух, будут применяться ко всем двусторонним организмам, включая людей. У дрозофилы, как и у всех насекомых, восемь генов Хокса. Они сгруппированы в два комплекса, оба из которых расположены на хромосоме 3. Комплекс Antennapedia (не путать с геном Antp) состоит из пяти генов: лабиальный (lab), пробосципедический (pb), деформированный (Dfd), уменьшенный половой гребень (Scr) и Antennapedia (Antp). Комплекс Биторакс, названный в честь гена Ультрабиторакс, состоит из оставшихся трех генов: Ультрабиторакс (Ubx), брюшной А (абд А) и брюшной В (абд В).

Лабиальная

Лабораторный ген - это ген, который наиболее экспрессирован в передней части. Он выражается в голове, в основном в межчастичном сегменте (независимый сегмент между антенной и нижней челюстью), а также в средней кишке. Потеря функции лаборетура приводит к тому, что эмбрион дрозофилы не может интернализировать структуры рта и головы, которые изначально развиваются снаружи его тела (процесс, называемый инволюцией головы). Неудача инволюции головы нарушает или удаляет слюнные железы и глотку. Лабораторный ген первоначально был назван так, потому что он нарушил лабиальный придаток; однако, лабораторный ген не экспрессируется в лабиальном сегменте, и фенотип лабиального придатка, вероятно, является результатом широкой дезорганизации, вызванной неудачей инволюции головы.

Пробоспипедия

Ген pb отвечает за образование лабиальных и челюстных пальп. Некоторые данные показывают, что pb взаимодействует с Scr.

Деформированные

Ген Dfd отвечает за формирование челюстно-челюстных и челюстно-челюстных сегментов в голове личинки. Мутантные фенотипы Dfd похожи на фенотипы лабиальных. Потеря функции Dfd в эмбрионе приводит к срыву инволюции головы (см. лабиальный ген), с потерей структур личинки головы. Мутации у взрослого человека имеют либо удаление частей головы, либо преобразование головы в грудную.

Антеннапедия

Второй грудный сегмент, или T2, развивает пару ног и пару крыльев. Ген Antp определяет эту идентичность, способствуя образованию ног и позволяя (но не напрямую активируя) образование крыльев. Доминирующая мутация Antp, вызванная хромосомной инверсией, вызывает экспрессию Antp в антенном воображаемом диске, так что вместо того, чтобы формировать антенну, диск образует ногу, в результате чего нога выходит из головы мухи.

Ультрабиторакса

Третий грудный сегмент, или T3, имеет пару ног и пару подвесок (очень уменьшенные крылья, которые функционируют в балансе во время полета). Ubx моделирует T3 в основном путем подавления генов, участвующих в образовании крыльев. Крыловое лопаточки состоит из двух слоев клеток, которые плотно прикреплены друг к другу, и питаются несколькими крыльями вен. Один из многих генов, которые угнетает Ubx, - это пузырьковый, который активирует белки, участвующие в клеточной клеточной адгезии, и расщепление, которое определяет расположение вен крыла. У мутантов с потерей функции Ubx, Ubx больше не подавляет гены крыльев, и гальтерики развиваются как вторая пара крыльев, в результате чего появляются знаменитые четыре крылатых мухи. Когда Ubx неправильно экспрессируется во втором грудном сегменте, как это происходит у мух с мутацией усилителя "Cbx", он подавляет гены крыла, и крылья развиваются как галтереи, в результате чего получается четыреххглавая муха.

Абдоминальная-А

У дрозофилы, абд А выражен вдоль большей части живота, от брюшных сегментов 1 (А1) до А8. Выражение абд А необходимо для определения идентичности большинства сегментов живота. Основная функция abd A у насекомых - подавление образования конечностей. При мутации потери функции брюшной полости А2 до А8 преобразуются в идентичность, более похожую на А1. Когда abd A эктопически выражена во всем эмбрионе, все передние сегменты A4 преобразуются в абдоминальную идентичность, похожую на A4. Три схемы классификации дают противоречивую информацию для белков Hox, выраженных в середине оси тела (Hox6 8 и Antp, Ubx и abd A). Комбинированный подход использовал филогенетическую информацию, основанную на различных видах, и нанес типы протеиновой последовательности на филогенетическое дерево вида. Подход определил белки, которые лучше всего представляют формы предков (Hox7 и Antp), и белки, которые представляют новые, полученные версии (или были потеряны у предка и теперь отсутствуют у многих видов).

Повышающие последовательности, связанные гомеодоменами

Последовательность ДНК, связанная белком гомеодомена, содержит нуклеотидную последовательность TAAT, причем 5'-концевая T является наиболее важной для связывания. Эта последовательность сохраняется почти во всех местах, признанных гомеодоменами, и, вероятно, отличает такие места как места связывания ДНК. Основные пары, следующие за этой начальной последовательностью, используются для различения белков гомеодомена, все из которых имеют похожие места распознавания. Например, нуклеотид, следующий за последовательностью TAAT, распознается аминокислотой в позиции 9 белка гомеодомена. В материнском белке Бикоид это положение занимает лизин, который распознает и связывается с нуклеотидом гуанин. В Antennapedia это место занимает глутамин, который распознает и связывается с аденином. Если лизин в Bicoid заменяется глутамином, полученный белок распознает места усилителя связывания Antennapedia. Однако все гомеодоменные транскрипционные факторы связывают по существу одну и ту же последовательность ДНК. Последовательность, связанная гомеодоменом белка Хокса, длиной всего шесть нуклеотидов, и такая короткая последовательность будет найдена случайным образом много раз по всему геному, намного больше, чем количество фактических функциональных сайтов. Особенно для белков Хокс, которые при неправильной экспрессии вызывают такие резкие изменения в морфологии, возникает вопрос о том, как каждый фактор транскрипции может производить такие специфические и различные результаты, если все они связывают одну и ту же последовательность. Одним из механизмов, который вводит большую специфичность последовательности ДНК в белки Хокса, является связывание белковых кофакторов. Два таких кофактора Хокса - экстрадентикулы (Exd) и гомоторакс (Hth). Exd и Hth связываются с белками Hox и, по-видимому, вызывают конформационные изменения в белке Hox, которые увеличивают его специфичность.

Регулирование генов Хокса

Так же, как гены Хокса регулируют гены реализатора, они, в свою очередь, регулируются другими генами. У дрозофилы и некоторых насекомых (но не у большинства животных) гены Хокс регулируются генами разрыва и генами пары правил, которые, в свою очередь, регулируются материнской мРНК. Это приводит к каскаду факторов транскрипции: материнские факторы активируют гены разрыва или пары правил; гены разрыва и пары правил активируют гены Хокса; затем, наконец, гены Хокса активируют гены реализатора, которые заставляют сегменты развивающегося эмбриона дифференцироваться. Регулирование достигается с помощью градиентов концентрации белка, называемых морфогенными полями. Например, высокая концентрация одного материнского белка и низкая концентрация других активируют определенный набор генов, регулирующих разрыв или пару. У мух полоса 2 в эмбрионе активируется материнскими белками Bicoid и Hunchback, но подавляется белками Giant и Kruppel. Таким образом, полоса 2 будет формироваться только там, где есть Бикоид и Хунчбек, но не там, где есть Гигант и Круппель. Было показано, что нити микроРНК, расположенные в кластерах Хокс, ингибируют больше генов хокс переднего направления ("последнее распространение феномена"), возможно, чтобы лучше настроить его модель экспрессии. Было показано, что некодирующая РНК (нкРНК) в большом количестве присутствует в кластерах Hox. У человека может присутствовать 231 нкРНК. Один из них, HOTAIR, замалчивает транс (он транскрибируется из кластера HOXC и ингибирует поздние гены HOXD) путем связывания с белками группы Polycomb (PRC2). Структура хроматина необходима для транскрипции, но она также требует, чтобы кластер выходил из зоны хромосомной зоны. У высших животных, включая человека, ретиновая кислота регулирует дифференциальную экспрессию генов Хокса вдоль передней и задней оси. Гены в 3'-концах кластеров Хокса индуцируются ретиновой кислотой, в результате чего домены экспрессии расширяются в более передней части тела по сравнению с 5'-генами Хокса, которые не индуцируются ретиновой кислотой, в результате чего домены экспрессии остаются более задней. Количественная ПЦР показала несколько тенденций в отношении коллинеарности: система находится в равновесии, и общее количество транскриптов зависит от количества генов, присутствующих в соответствии с линейной взаимосвязью.

Колинеарность

В некоторых организмах, особенно у позвоночных, различные гены Хокса расположены очень близко друг к другу на хромосоме в группах или кластерах. Порядок генов на хромосоме такой же, как и экспрессия генов в развивающемся эмбрионе, причем первый ген экспрессируется в переднем конце развивающегося организма. Причина этой коллинеарности еще не полностью понята, но может быть связана с активацией генов Хокса во временной последовательности путем постепенного разблокирования хроматина вдоль кластера генов.

Номенклатура

Гены Хокса названы в честь гомеотических фенотипов, которые возникают при нарушении их функции, при этом один сегмент развивается с идентичностью другого (например, ноги, где должны быть антенны). Гены Хокс в разных типах получили разные названия, что привело к путанице в номенклатуре. Комплекс генов Хокс в дрозофиле состоит из двух кластеров, комплекса Антеннапедии и комплекса Биторакса, которые вместе исторически назывались HOM C (для гомеотического комплекса). Хотя исторически гены HOM C относились к гомологам дрозофилы, в то время как гены Hox относились к гомологам позвоночных, это различие больше не делается, и оба гена HOM C и Hox называются генами Hox.

Амфиокс

У амфиокса, таких как Branchiostoma floridae, есть один кластер Hox с 15 генами, известными как AmphiHox1 до AmphiHox15.

Другие беспозвоночные

Шесть генов Хокса рассеяны в геноме Caenorhabditis elegans, круглого червя. Гидра и Нематостелла вектенсис, оба из класса Cnidaria, имеют несколько генов Hox/ParaHox, похожих на гомеобокс. Экспрессия гена Хокса также изучалась у брахиоподов, анелид и ряда моллюсков.

История

Гены Хокса так называются, потому что мутации в них вызывают гомеотические трансформации. Гомеотические преобразования были впервые идентифицированы и изучены Уильямом Бейтсоном в 1894 году, который придумал термин "гомеоз". После повторного открытия генетических принципов Менделя Бейтсон и другие осознали, что некоторые примеры гомеоза в цветочных органах и скелетах животных могут быть связаны с вариацией генов. Окончательные доказательства генетической основы некоторых гомеотических преобразований были получены путем выделения гомеотических мутантов. Первый гомеотический мутант был обнаружен Кальвином Бриджесом в лаборатории Томаса Ханта Моргана в 1915 году. Этот мутант показывает частичное дублирование грудной клетки и поэтому был назван Биторакс (bx). Он преобразует третий грудный сегмент (T3) в сторону второго (T2). Биторакс возник спонтанно в лаборатории и с тех пор постоянно поддерживается в качестве лабораторного запаса. Генетические исследования Моргана и других предоставили основу для систематического анализа Эдварда Б. Льюиса и Томаса Кауфмана, который предоставил предварительные определения многих гомеотических генов комплексов Биторакс и Антеннапедия, а также показал, что мутантные фенотипы для большинства этих генов можно проследить до дефектов в плане эмбрионального тела. Эд Льюис, Кристиан Нусслейн Вольхард и Эрик Ф. Вишаус в 1980 году идентифицировали и классифицировали 15 генов, имеющих ключевое значение для определения плана тела и формирования сегментов тела плодовой мухи D. melanogaster. За свою работу Льюис, Нусслейн Вольхард и Вишаус были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1995 году. В 1983 году гомеобокс был открыт независимо исследователями в двух лабораториях: Эрнст Хафен, Майкл Левин и Уильям МакГиннис (в лаборатории Уолтера Геринга в Базельском университете, Швейцария) и Мэтью П. Скотт и Эми Вайнер (в лаборатории Томаса Кауфмана в Университете Индианы в Блумингтоне).

Будущее

Гены Хокса играют важную роль в развитии таких структур, как конечности, легкие, нервная система и глаза. Как отметили Т. Р. Лаппин и его коллеги в 2006 году, "эволюционное сохранение обеспечивает неограниченный объем экспериментальных исследований функционального контроля сети генов Хокса, которые дают важные знания о болезнях человека". В будущем можно будет провести дополнительные исследования в исследовании роли генов Хокса в лейкемии и раке (таких как EOC).