De Hox-generne er en stor gen familie, der er ansvarlige for regulering af udvikling af kroppens strukturer. De er fundet i alle metazoans og i andre afstamninger, såsom planter og dyr. Derfor er de kendetegnet ved at være evolutionært meget bevaret.
Disse gener fungerer som følger: de koder for en transkriptionsfaktor - et protein, der er i stand til at interagere med DNA - som udtrykkes i et specifikt område hos individet fra de tidligste stadier af udvikling. Denne DNA-bindingssekvens kaldes en homeobox.
Kilde: Antonio Quesada Díaz, via Wikimedia Commons
Med næsten 30 års forskning på dette område har forskere undersøgt forskellige afstamninger og konkluderet, at disse geners ekspressionsmønstre er stærkt forbundet med regionaliseringen af kropsakser.
Dette bevis tyder på, at Hox-generne har spillet en uundværlig rolle i udviklingen af de levende væseners kropslige planer, især i Bilateria. Således har Hox-generne gjort det muligt at forklare den storslåede mangfoldighed af dyreformer fra et molekylært perspektiv.
Hos os mennesker er der 39 Hox-gener. Disse er grupperet i fire klynger eller grupper placeret på forskellige kromosomer: 7p15, 17q21.2, 12q13 og 2q31.
Opdagelse
Opdagelsen af Hox-generne var en milepæl i evolutionær og udviklingsbiologi. Disse gener blev opdaget mellem 70'erne og 80'erne takket være observationen af to nøglemutationer i frugtfluen, Drosophila melanogaster.
En af mutationerne, antennapedia, omdanner antennerne til ben, mens bithoraxmutationen medfører omdannelse af halterer (modificerede strukturer, typisk for vingede insekter) til et andet par vinger.
Som det kan ses, når Hox-generne har mutationer, er resultatet heraf ganske dramatisk. Og som i Drosophila fører ændringen til dannelse af strukturer på de forkerte steder.
Før opdagelsen af Hox-generne troede de fleste biologer, at morfologisk mangfoldighed blev understøttet af variation på DNA-niveau. Det var logisk at antage, at de åbenlyse forskelle mellem en hval og en kolibri for eksempel skulle afspejles i genetiske termer.
Med fremkomsten af Hox-generne tog denne tænkning en fuldstændig vending og gav plads til et nyt biologi-paradigme: en fælles bane til genetisk udvikling, der forener Metazoans ontogeni.
Hvad er Hox-gener?
Før man definerer begrebet Hox-gener, er det vigtigt at vide, hvad et gen er, og hvordan det fungerer. Gener er DNA-sekvenser, hvis meddelelse udtrykkes i en fænotype.
DNA-beskeden er skrevet i nukleotider, i nogle tilfælde passerer disse ind i et messenger-RNA, og dette oversættes af ribosomer til en sekvens af aminosyrer - de strukturelle "byggesten" af proteiner.
Hox-gener er den mest kendte klasse af homotiske gener, hvis funktion er at kontrollere specifikke mønstre af kropsstrukturer. Disse er ansvarlige for at kontrollere identiteten af segmenterne langs dyrenes anteroposterior akse.
De hører til en enkelt familie af gener, der koder for et protein, der har en specifik aminosyresekvens, der er i stand til at interagere med DNA-molekylet.
Det er her udtrykket homeobox kommer fra for at beskrive dette afsnit i genet, mens det i proteinet kaldes homeodomain. Homeobox-sekvensen har en sekvens på 180 basepar, og disse domæner er evolutionært stærkt konserverede blandt forskellige Phyla.
Takket være denne interaktion med DNA er Hox-generne i stand til at regulere transkriptionen af andre gener.
Terminologi
Generene, der er involveret i disse morfologiske funktioner, kaldes homotiske loci. I dyreriget er de vigtigste kendt som HOM loci (i hvirvelløse dyr) og Hox loci (i hvirveldyr). Imidlertid er de generelt kendt som Hox loci.
egenskaber
Hox-generne har en række meget særlige og interessante egenskaber. Disse centrale aspekter er med til at forstå dens funktion og dens potentielle rolle i evolutionær biologi.
Disse gener er organiseret i "genkomplekser", hvilket betyder, at de er tæt sammen på kromosomerne - med hensyn til deres rumlige placering.
Den anden egenskab er den overraskende korrelation, der findes mellem rækkefølgen af generne i DNA-sekvensen og den anteroposterior placering af produkterne fra disse gener i embryoet. Bogstaveligt talt er generne, der går "fremad" i denne position.
På samme måde er der ud over rumlig kollinearitet også en tidsmæssig korrelation. Gener lokaliseret ved 3'-enden forekommer tidligere i individets udvikling sammenlignet med dem, der findes længere tilbage.
Hox-generne hører til en klasse kaldet ANTP, som også inkluderer ParaHox-generne (relateret til disse), NK-gener og andre.
Genudvikling
Ingen gener fra ANTP-klassen stammede fra Metazoans. I den evolutionære udvikling af denne dyregruppe var porifrene den første gruppe, der adskilte, efterfulgt af cnidarierne. Disse to linjer repræsenterer de to basale grupper af bilaterale.
Genetisk analyse udført på den berømte svamp Amphimedon queenslandica - dens berømmelse skyldes gener for nervesystemet - afslørede, at denne porøs har flere gener af NK-typen, men ingen Hox- eller ParaHox-gener.
Hox-gener som sådan er ikke rapporteret hos cnidarianer, der opfylder de nævnte egenskaber. Der er dog Hox-lignende gener.
På den anden side har hvirvelløse dyr en enkelt klynge af Hox-gener, mens hvirveldyrene har flere kopier. Denne kendsgerning har været afgørende og har inspireret udviklingen af teorier om gruppens udvikling.
Hvirveldyrets oprindelse
Det klassiske syn på dette aspekt hævder, at de fire genklynger i det humane genom stammede takket være to runder med replikation af hele genomet. Udviklingen af nye sekventeringsteknologier har imidlertid tvivlet på teorien.
Den nye dokumentation favoriserer hypotesen relateret til småbegivenheder (segmentduplikation, individuel duplikering af gener og translokationer), der opnåede det høje antal Hox-gener, som vi observerer i dag i denne gruppe.
Referencer
- Acampora, D., D'esposito, M., Faiella, A., Pannese, M., Migliaccio, E., Morelli, F.,… & Boncinelli, E. (1989). Den humane HOX-genfamilie. Nucleinsyreforskning, 17 (24), 10385-10402.
- Ferner, DE (2011). Hox- og ParaHox-gener inden for udvikling, udvikling og genomik. Genomics, proteomics & bioinformatics, 9 (3), 63-4.
- Hrycaj, SM, & Wellik, DM (2016). Hox gener og evolution. F1000Forskning, 5, F1000 Fakultet Rev-859.
- Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A., & Halliday, HL (2006). HOX-gener: forførende videnskab, mystiske mekanismer. Ulster medicinske tidsskrift, 75 (1), 23-31.
- Pearson, JC, Lemons, D., & McGinnis, W. (2005). Modulering af Hox-genfunktioner under mønstre af dyrekrop. Nature Reviews Genetics, 6 (12), 893.