Основно съдържание
Курс: Биологична библиотека > Раздел 22
Урок 2: Сигнализационни и транскрипционни фактори в развитиетоХомеотични гени
Хомеотичните гени контролират развитието на сегментите или структурите на цялото тяло. Когато те са свръхактивни или липсващи могат да се случат странни неща!
Основни идеи
- Гените на хомеостазата (хомеотични гени) са главни регулаторни гени, които насочват развитието на определени части или структури на тялото.
- Когато гените на хомеостазата са свръхактивирани или деактивирани от мутации, телесни структури може да се развият на грешното място – понякога на напълно грешно място!
- Повечето животински гени на хомеостазата кодират транскрипционни факторни протеини, които съдържат регион, наречен хомеодомейн и се наричат Hox гени.
- Hox гените се включват от каскада регулаторни гени: протеините, кодирани от ранно включващите се гени, регулират експресията на по-късно включващите се гени.
- Hox гените се срещат при много животни, включително плодовите мушици, мишките и хората. Мутации в човешките Hox гени може да причинят генетични разстройства.
Въведение
Колко крака има едно плодова мушица? Дори ако не обичаш особено плодовите мушици, може да знаеш, че по принцип насекомите имат общо шест крака – в сравнение с, да кажем, осемте крака на паяците. Може би също забеляза, че краката на една плодова мушица обикновено растат от средната част на тялото ѝ – торакса – а не, да кажем, от главата ѝ.
Какво отговаря за тази подредена организация на частите на тялото в нещо толкова малко като една муха? Както се оказва, множество от главни регулаторни гени се експресират в различни области на тялото на едно муха по време на развитието. Тези гени включват правилната генетична "програма" за развитие на всяка част на тялото. Те гарантират, например, че тораксът на мухата "носи" краката, а не главата ѝ.
В тази статия ще разгледаме по-отблизо тези и други гени на хомеостазата, наричани още селекторни гени. По определение това са гените, които "избират" идентичността на цели части или структури в телата на развиващите се организми.
Хомеотични мутации при плодовите мушици
Хомеотичните гени са отговорни за определянето на идентичността на определени сегменти или структури на тялото. Когато хомеотичните гени не са активирани или се експресират в необичайни местоположения поради мутации, те може да накарат телесните сегменти да приемат нови – понякога стряскащи! – идентичности.
Като пример нека разгледаме един хомеотичен ген, наречен Antennapedia. Обикновено Antennapedia се експресира в тази част, която ще стане вторият сегмент на торакса (гръдния кош) на една муха, започвайки от времето, когато мухата е малък ембрион, и продължавайки до зрелостта ѝ. През това време генът действа като главен регулатор, включвайки генетична програма, която изгражда втората двойка крака на мухата и други специфични за сегмента структури.
Ако Antennapedia остане, където се очаква, и свърша работата си, получаваме хубава, нормално изглеждаща муха с всичките ѝ крайници на правилното място. Но какво се случва ако генетична мутация причини експресията на гена Antennapedia да се увеличи в главата на мухата? Този вид мутация води до израстването на крака от главата на мухата на мястото на антените! С други думи генът активира своята нормална програма за развитие на второсегментните крака, но на грешното място в мухата.
Друг хомеотичен ген при мухите с драматични ефекти е генът Ultrabithorax. Този ген се експресира силно в третия сегмент на торакса, който носи най-задната двойка крака на мухата. Експресията на гена Ultrabithorax в тази област на мухата започва рано в развитието и продължава през живота на мухата.
Крилата обикновено се оформят само във втория сегмент на торакса, не в третия, който вместо това създава малки структури, наречени халтери, които помагат на мухата да поддържа баланс. Работата на Ultrabithorax е да потисне второсегментната идентичност и образуването на криле в третия сегмент. Когато Ultrabithorax е Неактивиран в развитието на третия сегмент, поради мутации, халтерите ще бъдат преобразувани във втора двойка крила, разположени зад нормалните крила.
Преглед на Hox гените на плодовата мушица
Antennapedia и Ultrabithorax не са единствените хомеотични гени (гени на хомеостазата) в плодовата мушица. Всъщност множество различни хомеотични гени действат в различни области на тялото на мухата, гарантирайки, че всеки сегмент ще приеме правилната си идентичност. Тези гени обикновено се експресират в областите, които регулират, започвайки рано в ембрионалното развитие, и продължават да се експресират в зрялата муха.
Диаграмата по-долу показва осем главни хомеотични гени в мухите. Горната част от диаграмата показва къде най-силно е изразен всеки ген в зрялата муха, докато долната част от диаграмата показва къде са разположени гените в хромозомата. Редът на гените в хромозомата повече или по-малко отразява техния ред на експресиране по оста глава-опашка на мухата.
Какви точно са тези хомеотични гени? Всеки ген кодира транскрипционен фактор, който се експресира в една определена област на мухата, започвайки рано в развитието ѝ като ембрион. Транскрипционните фактори променят експресирането на целевите гени, за да се изпълни генетичната "програма", която е правилна за всеки сегмент.
Хомеотичните транскрипционни фактори, показани на диаграмата по-горе, съдържат
Как се включват Hox гените на мухата?
Hox гените трябва да бъдат внимателно регулирани. Както научи по-горе, неправилната регулация може да доведе до появата на допълнителни крила или крака вместо антени – и двете от които биха били доста лоши за оцеляването на една плодова мушица в дивата природа! Как тези гени се експресират в правилните части на развиващия се ембрион?
За да отговорим на този въпрос, нека набързо разгледаме ранните етапи в развитието на ембриона на мухата. Генетични модели, заложени в яйцето на мухата – преди дори ембрионът да е ембрион – полагат основите за плана на тялото на мухата. По време на развитието първо тялото е доста широко "скроено", като се започва с края на главата и с края на опашката. После структурата постепенно се изгражда, първо в по-широки части, после в по-малки части, после в реалните части на тялото.
Процесът включва различни класове гени с все по-тесни и специфични модели на експресия. Общо казано, рано действащите групи регулират късно действащите групи в един вид молекулярен ефект на доминото. Hox гените се включват на специфични места чрез активността на гените в тази каскада.
Гени в ранната каскада на развитието включват следните групи:
- Майчини ефекторни гени, които са гените, чиито и
- Gap гените са наименувани подходящо. Ако gap гени липсват поради мутация, в ларвата на мухата липсва голяма част от нормалните ѝ сегменти.
- Гените на "правилото на чифта" се включват чрез взаимоотношения между gap гените и техните модели на експресия се подобряват чрез взаимодействия помежду им. Те се появяват в множество "райета" по ембриона, подобни по модел на сегментите на зрялата муха, но леко неточни.
Откъде идват Hox гените? Hox гените се задействат в специфични модели от протеиновите продукти на gap гените и на гените на "правилото на чифта". Техните модели на експресия биват подобрени – от продуктите на тези гени и чрез взаимодействия с други Hox протеини – докато ембрионът се развива.
Много видове животни имат Hox гени.
Нох гените не са уникални за плодовите мушици. Всъщност Hox гените се срещат в много различни животински видове, включително мишките и хората. Да, имаш си собствени Hox гени! Наличието на подобни Нох гени в различни видове отразява общия им произход: една група Hox гени вероятно вече са били налични в общ предшественик на мишките, мухите, хората и други групи животни.
Освен че гените Hox се срещат в много различни видове животни, те също по принцип имат същия ред на хромозомата във всички тези видове. Както при мухите, този ред приблизително се пренася към частите на тялото, чието развитие се контролира от всеки ген. Понеже това е така повтарящо се, учените мислят, че вероятно не е съвпадение и може да има функционална важност.
При гръбначните като хора и мишки Hox гените са били дублирани през еволюционната история и сега съществуват като четири подобни генни групи, отбелязани от А до D:
Като цяло гените от различните групи работят заедно, за да създадат идентичността на телесните сегменти по оста глава-опашка. Тоест гените от началото на групата – по-близо до 1 в диаграмата – по принцип специфицират структури към главата на организма, а гени в края на групата – по-близо до 13 на диаграмата – по принцип специфицират структури близо до опашката.
Но удвояването на гените е позволило някои Hox гени да приемат по-специализирани роли. Например много Hox гени към края на групата действат специфично върху развитието на крайниците на гръбначните – ръце, крака или криле – както е показано в диаграмата на жената по-горе. Мутации в HoxD13 при хората може да причинят генетично състояние, наречено синполидактилия, при което хората са родени с допълнителни пръсти на ръцете или на краката, които също така може да са слети в едно.
Hox групата е чудесен пример за това как гените на развитието може да бъдат и запазени, и променени през еволюцията, особено, когато са копирани чрез удвояване. Hox гените също показват колко мощен може да е един ген на развитието, особено когато е фактор на транскрипция, който включва или изключва много целеви гени, за да активира определена генетична "програма".
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.