Tyto geny Hox jsou velké rodiny genů, které jsou odpovědné za regulaci rozvoje tělesných struktur. Byly nalezeny ve všech metazoanech a dalších liniích, jako jsou rostliny a zvířata. Proto se vyznačují tím, že jsou evolučně velmi konzervativní.
Tyto geny pracují následovně: kódují transkripční faktor - protein schopný interagovat s DNA - který je exprimován ve specifické oblasti jedince od nejranějších stádií vývoje. Tato vazebná sekvence DNA se nazývá homeobox.
Zdroj: Antonio Quesada Díaz, přes Wikimedia Commons
S téměř 30 lety výzkumu v této oblasti vědci studovali různé linie a dospěli k závěru, že vzorce exprese těchto genů jsou silně spojeny s regionalizací tělesných os.
Tento důkaz naznačuje, že geny Hox hrály nepostradatelnou roli ve vývoji tělesných plánů živých bytostí, zejména v Bilaterii. Geny Hox tak umožnily vysvětlit velkolepou rozmanitost živočišných forem z molekulárního hlediska.
U nás lidí existuje 39 genů Hox. Jsou seskupeny do čtyř klastrů nebo skupin, které jsou umístěny na různých chromozomech: 7p15, 17q21.2, 12q13 a 2q31.
Objev
Objev genů Hox byl mezníkem v evoluční a vývojové biologii. Tyto geny byly objeveny mezi 70. a 80. lety díky pozorování dvou klíčových mutací v mušce ovoce, Drosophila melanogaster.
Jedna z mutací, antennapedia, transformuje antény na nohy, zatímco bithoraxová mutace způsobí přeměnu halter (modifikované struktury, typické pro okřídlený hmyz) na další křídla.
Jak je vidět, když mají Hoxovy geny mutace, výsledek je docela dramatický. A stejně jako v Drosophile, změna vede k vytváření struktur na špatných místech.
Před objevením genů Hox se většina biologů domnívala, že morfologická rozmanitost byla podporována rozmanitostí na úrovni DNA. Bylo logické předpokládat, že zřejmé rozdíly mezi velrybou a kolibříkem se například musely odrážet v genetickém vyjádření.
S příchodem Hoxových genů se toto myšlení zcela změnilo a uvolnilo se nové paradigma v biologii: společná cesta genetického vývoje, která sjednocuje ontogenii Metazoanů.
Co jsou geny Hox?
Před definováním pojmu genů Hox je nezbytné vědět, co je gen a jak to funguje. Geny jsou sekvence DNA, jejichž sdělení je exprimováno ve fenotypu.
Zpráva DNA je psána v nukleotidech, v některých případech tyto přecházejí do messengerové RNA a to je translatováno ribozomy do sekvence aminokyselin - strukturálních „stavebních bloků“ proteinů.
Hox geny jsou nejznámější třídou homeotických genů, jejichž funkcí je řídit specifické vzorce tělesných struktur. Tito jsou zodpovědní za kontrolu identity segmentů podél anteroposteriorní osy zvířat.
Patří do jediné rodiny genů, které kódují protein, který má specifickou aminokyselinovou sekvenci schopnou interagovat s molekulou DNA.
Odtud pochází pojem homeobox k popisu této sekce v genu, zatímco v proteinu se nazývá homeodoména. Homeoboxová sekvence má sekvenci 180 párů bází a tyto domény jsou evolučně vysoce konzervované mezi různými Phyla.
Díky této interakci s DNA jsou Hoxovy geny schopné regulovat transkripci jiných genů.
Terminologie
Geny zapojené do těchto morfologických funkcí se nazývají homeotické lokusy. V říši zvířat jsou nejdůležitější známé jako lokusy HOM (u bezobratlých) a lokusy Hox (u obratlovců). Nicméně, oni jsou obecně známí jako Hox loci.
vlastnosti
Geny Hox mají řadu velmi zvláštních a zajímavých charakteristik. Tyto klíčové aspekty pomáhají pochopit jeho fungování a jeho potenciální roli v evoluční biologii.
Tyto geny jsou uspořádány do „genových komplexů“, což znamená, že jsou na chromozomech blízko sebe - z hlediska jejich prostorové polohy.
Druhou charakteristikou je překvapivá korelace, která existuje mezi řádem genů v sekvenci DNA a předním umístěním produktů těchto genů v embryu. Doslova geny, které jdou „vpřed“, jsou v této poloze.
Podobně kromě prostorové kolinearity existuje časová korelace. Geny umístěné na 3 'konci se vyskytují dříve ve vývoji jednotlivce, ve srovnání s těmi, které byly nalezeny dále zpět.
Geny Hox patří do třídy zvané ANTP, která také zahrnuje geny ParaHox (s nimi související), NK geny a další.
Evoluce genů
Žádné geny třídy ANTP nebyly od Metazoanů. V evolučním vývoji této skupiny zvířat byly porifery první skupinou, která se oddělila, následovaly cnidariani. Tyto dvě linie představují dvě základní skupiny bilaterálů.
Genetická analýza provedená na slavné houbě Amphimedon queenslandica - její sláva je způsobena geny pro nervový systém - odhalila, že tento poriferous má několik genů typu NK, ale žádné Hox nebo ParaHox geny.
Hox geny jako takové nebyly hlášeny u cnidariánů, kteří splňují výše uvedené charakteristiky. Existují však Hoxové geny.
Na druhé straně bezobratlí mají jeden shluk genů Hox, zatímco obratlovci mají více kopií. Tato skutečnost byla rozhodující a inspirovala vývoj teorií o vývoji skupiny.
Původ obratlovců
Klasický pohled na tento aspekt tvrdí, že čtyři genové klastry v lidském genomu vznikly díky dvěma kolům replikace celého genomu. Vývoj nových sekvenčních technologií však zpochybnil teorii.
Nový důkaz upřednostňuje hypotézu týkající se událostí malého rozsahu (duplikace segmentů, individuální duplikace genů a translokace), které dosáhly vysokého počtu Hox genů, které dnes pozorujeme v této skupině.
Reference
- Acampora, D., D'esposito, M., Faiella, A., Pannese, M., Migliaccio, E., Morelli, F.,… & Boncinelli, E. (1989). Lidská genová rodina HOX. Nucleic acid Research, 17 (24), 10385-10402.
- Ferner, DE (2011). Geny Hox a ParaHox v evoluci, vývoji a genomice. Genomika, proteomika a bioinformatika, 9 (3), 63-4.
- Hrycaj, SM, & Wellik, DM (2016). Hoxové geny a evoluce. F1000Výzkum, 5, F1000 Fakulta Rev-859.
- Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A., a Halliday, HL (2006). HOX geny: svůdná věda, tajemné mechanismy. The Ulster medical journal, 75 (1), 23-31.
- Pearson, JC, Lemons, D., a McGinnis, W. (2005). Modulace funkcí genů Hox během modelování těl zvířat. Nature Reviews Genetics, 6 (12), 893.