Гомеозисные гены

Гомеозисные гены детерминируют процессы роста и дифференцировки. Гомеозисные гены кодируют транскрипционные факторы, контролирующие программы формирования органов и тканей.

Мутации в гомеозисных генах могут вызвать превращение одной части тела в другую. Гомеозисными мутантами называются такие организмы, у которых на месте органа развивается орган другого типа. Например, у дрозофилы при мутации antennapedia формируется конечность на месте антены.

Гомеозисные гены контролируют работу других генов и определяют превращение внешне неразличимых участков зародыша или определённого органа (ткани, участка тела). В частности, гомеозисные гены контролируют появление различий сегментов многоклеточных животных в раннем эмбриональном развитии. У насекомых гомеозисные гены играют ключевую роль в определении особенностей строения эмбриональных сегментов и структур на них (ноги, антенны, крылья, глаза).

Гомеозисные гены животных относятся к семейству Hox-генов. Однако не все гены этого семейства являются гомеозисными. Так, у дрозофилы к Hox-генам комплекса Antennapedia относятся гены zerknullt, zerknullt2, bicoid и fushi tarazu, которые не являются гомеозисными.^[1]

У растительных организмов также известны процессы, которые контролируются гомеозисными генами: филлотаксис, развитие цветков и соцветий.

У животных

Гомеобокс

Основная статья: Гомеобокс

Гомеозисные гены содержат гомеобокс — последовательность из 180 пар нуклеотидов ДНК, образующую в кодируемом белке гомеодомен.

Гомеодомен впервые был обнаружен в составе генов, контролирующих развитие, и, в частности, в составе гомеозисных генов, у дрозофилы. Однако, многие гены, содержащие гомеобокс, не являются гомеозисными. Таким образом, гомеобокс — это особая последовательность нуклеотидов, в то время как гомеозисность — это потенциальная возможность образования гомеозисной мутации.^[2]

Последовательность нуклеотидов в гомеодомене высоко консервативна. Функциональная равнозначность гомеозисных белков может быть доказана тем фактом, что развитие мухи с соответствующими гомеозисными генами курицы протекает нормально.^[3] Несмотря на то, что общий предок курицы и мухи существовал около 670 миллионов лет назад,^[4] гомеозисные гены куриц аналогичны таким генам у мух до такой степени, что могут заменить друг друга.

Из-за вырожденности генетического кода последовательность остатков аминокислот в составе белков более консервативна, чем последовательность нуклеотидов в ДНК, так как одну аминокислоту могут кодировать разные кодоны. Единственная мутация в ДНК гомеозисных генов может привести к поразительным изменениям организма (см. гомеозисные мутации).

Гомеодомен

Белковые продукты гомеозисных генов принадлежат к особому классу белков — транскрипционным факторам, которые связываются с ДНК и регулируют транскрипцию генов. Последовательность гомеобокса состоит из 60 остатков аминокислот и образует структуру спираль-поворот-спираль, известную как гомеодомен. У дрозофилы белковый продукт гомеозисного гена Antennapedia активирует гены, которые определяют структуру второго грудного сегмента, содержащего ноги и крылья, и репрессирует гены, вовлеченные в формирование глаз и антенн.^[5] Гены, которые регулируются белками, содержащими гомеобокс, называют реализаторными генами, и они являются белковыми продуктами генов полярности сегментов, которые кодируют ткане- и органо-специфичные белки.

Энхансерные последовательности, которые связываются гомеодоменом

Последовательность ДНК, с которой связывается гомеодомен, содержит последовательность нуклеотидов TAAT на 5' конце, причем T наиболее важна для связывания.^[6] Данная последовательность нуклеотидов консервативна практически во всех сайтах связывания гомеодомена. Так как многие белки, содержащие гомеодомен имеют одинаковые сайты узнавания, пары оснований, следующие за этой инициаторной последовательностью, используются для того, чтобы различать эти белки. Например, последовательность нуклеотидов после TAAT, распознается девятой аминокислотой белка, содержащего гомеодомен. Белок материнского эффекта Bicoid, содержит остаток лизина в данном положении, который служит для узнавания и связывания гуанина. В белке Antennapedia, в данном положении находится глутамин, который распознает и связывается с аденином. Если остаток лизина в белке Bicoid заменить на глутамин, измененный белок будет распознавать Antennapedia-подобные энхансерные сайты.^[7][8]

Hox-гены

Hox-гены располагаются на одной или нескольких (до четырёх) хромосомах, обычно тесными группами (кластерами), внутри которых сохраняется более или менее строгий порядок: «головные» гены впереди, «хвостовые» — сзади. У более примитивных представителей многоклеточных, таких как гребневики (Ctenophora) и кишечнополостные (Cnidaria), этих эмбриональных регуляторных генов только четыре, у млекопитающих их уже 48.

Семейство Hox-генов подразделяется на 14 классов. Считается, что эти 14 классов возникали путем дупликации одного или немногих исходных генов, реплики затем мутировали и обретали новые функции. У примитивных кишечнополостных и гребневиков имеется всего 4 класса Hox-генов, у предполагаемого общего предка двустороннесимметричных животных их должно было быть по крайней мере 8, у млекопитающих присутствуют все 14 классов. Принцип работы этих генов одинаков. Все они являются транскрипционными факторами, то есть их функция состоит во «включении» или «выключении» других генов. В результате работы Hox-факторов запускается каскад реакций, приводящий к появлению в клетке нужных белков.

За последнее десятилетие расшифрованы ДНК-последовательности Hox-генов у многих групп животных: аннелид, плоских червей, иглокожих, нематод, членистоногих, оболочников, ланцетников, не говоря уже о млекопитающих.

Регуляция

Гомеозисные гены регулируют работу реализаторных генов, и, в свою очередь, регулируются генами gap и pair-rule, которые находятся под контролем мРНК материнского эффекта. В результате этого образуется каскад транскрипционных факторов: гены материнского эффекта включают гены gap и pair-rule genes; гены gap и pair-rule включают гомеозисные гены; наконец, гомеозисные гены включают реализаторные гены, которые приводят к сегментации и дифференцировке зародыша.

Такая регуляция осуществляется градиентами концентрации белков-морфогенов. Высокая концентрация одного из материнских белков и низкая — других, включает определенный набор генов gap и pair-rule genes. У мух, вторая полоска эмбриона активируется материнскими белками Bicoid и Hunchback, и репрессируется белками gap Giant и Kruppel. ^[9].

Молекулы микроРНК в hox-кластерах сильнее ингибируют передние гомеозисные гены вероятно, для более точной регуляции их экспрессии.^[10]

В кластерах гомеозисных генов широко распространены некодирующие РНК (ncRNA). Один из генов некодирующих РНК у человека, HOTAIR, снижает уровень транскрипции гомеозисных генов (транскрибируется с кластера HOXC и ингибирует поздние HOXD гены), связываясь с белками группы Polycomb (PRC2).^[11]

Структура хроматина необходима для транскрипции, но также требуется выпетливание хромосомных территорий, на которых располагается кластер.^[12] Количественная ПЦР показала некоторые закономерности колинеарности: система находится в равновесии и общее количество транскриптов зависит от количества генов, представленных в линейной последовательности.^[13]

Гомеозисные мутации

Ошибки экспрессии гомеозисных генов приводят к крупным изменениям в морфологии индивида. Гомеозисные мутации впервые были описаны в 1894 году Уильямом Бейтсоном, который описал появление тычинок на месте лепестков.

В конце 1940х годов на модельном объекте Drosophila melanogaster Эдвард Льюис изучал гомеозисные мутации, которые приводили к формированию причудливых органов. Мутации в генах, участвующих в развитии конечности, могут приводить к уродствам или даже к смерти. Например, мутации в гене Antennapedia приводят к образованию конечностей на голове мухи на месте антенн.^[14]

Другим известным примером у дрозофилы является мутация в гомеозисном гене Ultrabithorax, который определяет развитие третьего грудного сегмента. Обычно на данном сегменте представлена пара ног и пара гальтер (редуцированных крыльев). У мутантных особей, которые не имеют функционального белка Ultrabithorax, на третьем сегменте образуются такие же структуры, как на втором грудном сегменте, который несёт пару конечностей и пару полностью развитых крыльев. Такие мутанты иногда встречаются в диких популяциях дрозофил, и изучение таких мутантов привело к открытию гомеозисных генов животных.

Колинеарность

Структура кластера

Гомеозисные гены в хромосомах у многих животных располагаются очень близко друг к другу, образуя при этом кластеры. При этом у дрозофилы наблюдается колинеарность — последовательность расположения генов на хромосоме соответствует последовательности их экспрессии вдоль передне-задней оси тела.

Классификация

В различных таксонах гомеозисным генам были даны разные названия, что привело к путанице в номенклатуре. В случае некоторых первичноротых (Ecdysozoa — членистоногих, нематод) гомеозисные гены составляют два кластера Antennapedia и Bithorax, которые вместе называют HOM-C (Гомеозисный комплекс, Homeotic Complex). В случае вторичноротых (иглокожих, хордовых) гомеозисные гены называют Hox-генами и выделают четыре кластера: Hoxa, Hoxb, Hoxc и Hoxd. У первичноротых гомезисные гены также часто называют Hox-генами, хотя это и не вполне верно.

Филогения гомеозисных генов

У Ecdysozoa существует около десяти гомеозисных генов. Позвоночные имеют четыре набора паралогов этих десяти генов Hoxa, Hoxb, Hoxc, и Hoxd. Эти кластеры паралогов образовались в результате двух дупликаций геномов позвоночных.^[15]

Обе дупликации произошли после того, как от общего ствола с позвоночными отделились предки ланцетников и оболочников, и до того, как разделились эволюционные линии млекопитающих и хрящевых рыб. Вероятнее всего, первая дупликация произошли незадолго до разделения линий бесчелюстных и челюстноротых, а второе — вскоре после этого (разделение этих линий, вероятно, произошло около 530 млн лет назад).^[16]

Хотя гомеозисные гены позвоночных являются копиями генов Ecdysozoa, эти копии не идентичны. В результате накопления мутаций в течение длительного промежутка времени, белки выполняют различные функции. У разных групп позвоночных некоторые гены утрачены или дуплицированы.

Hoxa и Hoxd определяют развитие конечности. Экспрессия Hox в конечности имеет две стадии — на первой развивается собственно конечность, на более поздней работают Hoxd 8 — 13 и образуются пальцы, при этом задействована отдельная регуляторная область на 5’ конце гена Hoxd 13, который не встречается у Teleostei.^[17]

История

На важное значение мутаций в гомеозисных генах для развития теории наследственности впервые указал автор этого термина Уильям Бэтсон в 1894 году. В 1920-е годы изучением гомеозисных мутаций (в том числе на дрозофиле) занималась ученица С. С. Четверикова Е. И. Балкашина. Балкашина описала мутацию aristopedia у дрозофилы и установила параллелизм явлений гомеозиса при регенерации и при мутировании гомеозисных генов, а также картировала три известных в то время гомеозисных гена дрозофилы.

Эдвард Льюис в 1948 году начал систематическое изучение гомеозисных генов, управляющих развитием имагинальных дисков личинки в органы имаго. Льюис обнаружил колинеарность в пространстве между порядком расположения генов комплекса bithorax в хромосоме и порядком расположения имагинальных дисков (сегментов), за развитие которых они отвечают, вдоль передне-задней оси тела.

Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус классифицировали 15 генов, определяющих строение тела и образование сегментов у Drosophila melanogaster. Исследователи получили Нобелевскую премию по медицине в 1995 году.

Подробное рассмотрение темы: на сайте Нобелевского комитета

У растений

Экспрессия генов, регулирующих развитие растений находится под контролем внутренними и внешними факторами. К внутренним факторам, влияющим на их активность, относят гормоны, сахарозу и некоторые минеральные элементы, к внешним — температура и свет. В регуляции процессов дифференцировки и развития важная роль принадлежит генам, которые содержат промоторы, чувствительные и специфичные к фитогормонам и к таким факторам внешней среды, как свет и температура. В составе промоторов очень многих генов, активность которых регулируется фитогормонами, выявлены транскрипционные элементы, определяющие гормональную специфичность ростовых реакций растений.

В настоящее время идентифицированы ключевые гены, которые контролируют эмбриогенез, старение и фотоморфогенез, регулируют функционирование апикальных, латеральных и флоральных меристем, отвечают за формирование корня, листьев и сосудов. Наиболее хорошо изучена экспрессия генов, регулирующих развитие цветков. На основе имеющейся в настоящее время генетической информации, математического аппарата и компьютерных программ стало возможным построение так называемых генетических регуляторных сетей, которые позволяют оценить весь спектр взаимодействий между различными регуляторными генами в процессе дифференцировки клеток и формирования органов растения. Отдельные элементы этих сетей способны на разных этапах развития контролировать несколько процессов. Поэтому мутации, затрагивающие разные участки одного регуляторного гена, могут отличаться своим фенотипическим проявлением.

У высших растений наиболее хорошо изучено функционирование двух типов генов-регуляторов развития: гомеобокссодержащих и генов с MADS-боксом.

Гены, содержащие гомеобокс

Гены, содержащие гомеобокс, определяются по наличию характерной последовательности ДНК из приблизительно 180 пар нуклеотидов (гомеобокса), кодирующей гомеодомен — консервативный участок ряда транскрипционных факторов. Эта нуклеотидная последовательность типична для генов каскадного типа регуляции развития.

Первым клонированным геном растений, кодирующим гомеодоменсодержащий белок, был KNOTTED1 (KN1) кукурузы. Мутация knotted 1 приводит к тому, что ген KN1 начинает экспрессироваться в несоответствующее время и не в том месте. У мутантов kn1 вокруг уже дифференцированных клеток листа появляются группы клеток, которые ещё продолжают делиться. Группы делящихся клеток, расположенные вдоль сосудистых элементов по всей листовой пластинке, образуют так называемые узлы (knots). Позднее было обнаружено целое семейство генов, подобных KN1, названное KNOX (KNOTTED1-like HOMEOBOX). Сверхэкспрессия генов семейства KNOX также искажает развитие листа.

Среди KNOX-генов растений наиболее детально исследована большая группа, участвующая в регуляции деятельности апкальной меристемы побегов и в развитии листьев: KN1 и RS1 у кукурузы, KNAT1, KNAT2 и STM у Arabidopsis thaliana, HvKNOX3 у ячменя и OSH1 у риса. Гены KN1, STM и их функциональные аналоги отвечают за поддержание деления клеток меристем, репрессируя их дальнейшую дифференцировку. Эти гены экспрессируются в апикальных меристемах побегов, а также во флоральных меристемах.

Гены, содержащие MADS-бокс

Термин «MADS-бокс» образован начальными буквами четырёх генов: MCM1 дрожжей, AG арабидопсиса, DEF львиного зева и SRF млекопитающих. К генам, содержащим MADS-бокс, относятся, в частности, AG (AGAMOUS), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) и AP3 (APETALA3), TFL1 (TERMINAL FLOWER), PI (PISTILLATA). Гены этого типа регулируют флоригенез и определяют судьбу клеток в семяпочке; их экспрессия выявлена в зародыше, корнях и листьях. К MADS-бокс-генам относится большинство гомеозисных генов растений, в частности гены идентичности органов цветка. Предполагается, что возникновение новых органов в процессе прогрессивной эволюции растений, например семяпочек и семян, сопровождалось появлением новых подсемейств именно MADS-бокс-генов.

Факторы транскрипции

Непосредственный контроль за развитием органов и тканей растения осуществляется транскрипционными факторами (ТФ) — белками, которые после перемещения в ядро клетки регулируют транскрипцию, специфически взаимодействуя с ДНК либо с другими белками, которые могут образовывать комплекс белок-ДНК.

См. также

• Гомеобокс
• Гомеозис
• Морфогенез

Литература

1. Лутова Л. А., Проворов Н. А., Тиходеев О. Н., Тихонович И. А., Ходжайова Л. Т., Шишкова С. О. Генетика развития растений / Под ред. чл.-кор. РАН С. Г. Инге-Веч¬томова. — СПб.: Наука, 2000. — 539 с.
2. Корочкин Л. И., Янковский Н. К., Гвоздев В. А., Гапоненко А. К., Лимборская С. А. Геном, клонирование, происхождение человека / Под ред. чл.-кор. РАН Л. И. Корочкина. — Фрязино: Век 2, 2003. — 224с.
3. Медведев С. С., Шарова Е. И. Генетическая и эпигенетическая регуляция развития растительных организмов (обзор) / Journal of Siberian Federal University. Biology 2 (2010 3).
4. Lewin genes VII. — 7th. — New York: Oxford University Press, 2002. — С. 960. — 990 с. — ISBN 0-19-879276-X

Примечания

1. ↑ shatal.pmd
2. ↑ Burglin, T.(2005). The Homeobox Page. http://www.cbt.ki.se/groups/tbu/homeo.html#Structure%20of%20the%20homeodomain
3. ↑ Lutz, B.; H.C. Lu, G. Eichele, D. Miller, and T.C. Kaufman (1996). «Rescue of Drosophila labial null mutant by the chicken ortholog Hoxb-1 demonstrates that the function of Hox genes is phylogenetically conserved». Genes & Development 10: 176-184.
4. ↑ Ayala, F.J.; A. Rzhetskydagger (January 1998). «Origin of the metazoan phyla: Molecular clocks confirm paleontological estimates». Proc Natl Acad Sci 95 (2): 606-11.
5. ↑ Cesares and Mann 1998; Plaza et al 2001
6. ↑ Scott F. Gilbert Developmental Biology. — Eighth Edition. — Sinauer Associates Inc., 2006. — 785 с. — ISBN 087893250X
7. ↑ Hanes, SD; Brent, R. DNA specificity of the bicoid activator protein is determined by homeodomain recognition helix residue 9. Cell. 1989 Jun 30;57(7):1275–1283.
8. ↑ Hanes, SD; Brent, R. A genetic model for interaction of the homeodomain recognition helix with DNA. Science. 1991 Jan 25;251(4992):426–430.
9. ↑ Small S, 1992. Regulation of even-skipped stripe 2 in the Drosophila embryo. EMBO J. 1992 Nov;11(11):4047-57
10. ↑ Lempradl A, Ringrose L. 2008 How does noncoding transcription regulate Hox genes? Bioessays. 30(2):110-21.
11. ↑ Rinn JL et al, 2007. Functional demarcation of active and silent chromatin domains in human HOX loci by noncoding RNAs. Cell. 129(7):1311-23
12. ↑ Fraser P, Bickmore W. Nuclear organization of the genome and the potential for gene regulation // Nature. — 2007. — Т. 447. — № 7143. — С. 413-7.
13. ↑ Montavon et al. 2008. Modeling Hox gene regulation in digits: reverse collinearity and the molecular origin of thumbness. Genes Dev. 22(3):346-59
14. ↑ Pierce, Benjamin A. Genetics: A Conceptual approach. 2nd edition. — W. H. Freeman; 2nd edition, 2004. — 832 с. — ISBN 071678881
15. ↑ Dehal P, Boore JL (2005) Two Rounds of Whole Genome Duplication in the Ancestral Vertebrate. PLoS Biol 3(10): e314 http://biology.plosjournals.org/perlserv/?request=get-document&doi=10.1371/journal.pbio.0030314
16. ↑ Элементы — новости науки: Геном ланцетника помог раскрыть секрет эволюционного успеха позвоночных
17. ↑ Deschamps J. 2007. Ancestral and recently recruited global control of the Hox genes in development. Curr Opin Genet Dev. 17(5):422-7