Гомеобокс

Гомеобокс (англ. homeobox) — последовательность ДНК, обнаруженная в генах, вовлеченных в регуляцию развития у животных, грибов и растений. Гены, которые содержат гомеобокс, образуют отдельное семейство.

Наиболее изученными и наиболее консервативными белками, содержащими гомеодомен, являются Hox-гены, которые контролируют сегментацию во время развития. Однако не все белки, содержащие гомеодомен, являются белками Hox.

Открытие

Гены, содержащие гомеобокс, были независимо открыты в 1983 году группой Уолтера Геринга в университете Базеля, Швейцария, и Мэтью Скоттом и Эми Вейнером, которые работали с Томасом Кофманом в университете Индианы, Блумингтон.^[1][2]

Гомеодомен

Гомеобокс состоит приблизительно из 180 пар нуклеотидов, он кодирует белковый домен длиной в 60 аминокислот (гомеодомен), который может связывать ДНК. Гомеодомен содержит структуру «спираль-поворот-спираль» (helix-turn-helix), в которой три α-спирали соединены короткими неспиральными участками. Две более короткие α-спирали, расположенные ближе к N-концу, антипараллельны, а третья α-спираль, более длинная и расположенная ближе к С-концу, примерно перпендикулярна осям двух первых; именно она непосредственно связывается с ДНК.

Гены, содержащие гомеобокс, кодируют факторы транскрипции, которые, как правило, переключают каскады других генов. Гомеодомен связывается с ДНК специфическим образом.

Однако специфичности одного гомеодомена, как правило, не хватает для распознавания целевого гена. Обычно белки, содержащие гомеодомен, действуют в промоторной области целевых генов в комплексе с другими факторами транскрипции, часто также белками, содержащими гомеодомен. Такие комплексы, как правило, имеют намного более высокую специфичность по сравнению с белком, имеющим единственный гомеодомен.

Hox-гены

Основная статья: Гомеозисные гены

Молекулярные данные свидетельствют о том, что некоторое число Hox-генов есть даже у Cnidaria; возможно, они уже были у общих предков книдарий и истинных билатеральных животных. Таким образом, данные гены появились до начала палеозоя.^[3]

Hox-гены являются абсолютно необходимыми для развития многоклеточных, они определяют регионы развития эмбриона вдоль передне-задней оси. У амфибии Xenopus Эдди Робетисом с соавторами в 1984 году был выделен первый Hox-ген позвоночного (см. Carrasco, McGinnis, Gehring and De Robertis, Cell 37, 409—414, 1984).

У позвоночных четыре кластера паралогов частично отличаются по функциям, в частности, HoxA и HoxD определяют развитие по оси конечности.

Основной интерес к этим генам происходит из-за их уникального поведения. Эти гены обычно располагаются группами, линейный порядок генов внутри кластера соответствует времени или месту работы гена в развитии. Данное явление называют коллинеарностью. Изменения в генах в составе кластера приводят к сходным изменениям в соответствующих районах действия последующих генов. Примерами таких генов являются гены Antennapedia и bithorax у дрозофилы.

Разнообразие

Гены, содержащие гомеобокс, были впервые найдены у дрозофилы, и затем обнаружены у многих других видов, от насекомых до рептилий и млекопитающих, а также грибов, дрожжей и растений. У растений хорошо изучены группа генов knottex homeobox (knox), которые, как и гены, содержащие гомеобокс у животных, являются транскрипционными факторами, регулирующими развитие.

У растений

Хорошо изученные гомеозисные гены растений MADs-гены не являются гомологичными генам Hox у животных. Они не осдержат гомеобокса, а содержат другую, негомологичную ему последовательность из 168—180 пар оснований — MADS-box. Как и гомеобокс, MADS-box кодирует соответствующий белковый домен, отвечающий за связывание с ДНК. Растения и млекопитающие не имеют одинаковых гомеозисных генов, что указывает, по-видимому, на то, что гомеозисные гены возникли независимо на ранних стадиях эволюции растений и животных.

У человека

Гены человека, содержащие гомеобокс, подразделяют на четыре кластера, расположенные в разных хромосомах:

Название	Хромосома	Гены
HOXA (иногда HOX1) - HOXA@	хромосома 7	HOXA1, HOXA2, HOXA3, HOXA4, HOXA5, HOXA6, HOXA7, HOXA9, HOXA10, HOXA11, HOXA13
HOXB - HOXB@	хромосома 17	HOXB1, HOXB2, HOXB3, HOXB4, HOXB5, HOXB6, HOXB7, HOXB8, HOXB9, HOXB13
HOXC - HOXC@	хромосома 12	HOXC4, HOXC5, HOXC6, HOXC8, HOXC9, HOXC10, HOXC11, HOXC12, HOXC13
HOXD - HOXD@	хромосома 2	HOXD1, HOXD3, HOXD4, HOXD8, HOXC9, HOXD10, HOXD11, HOXD12, HOXD13

Мутации

Мутации генов, содержащих гомеобокс, могут иметь значительные видимые фенотипические проявления.

Два примера мутаций, затрагивающих гены, имеющие гомеобокс, у дрозофилы — это появление конечностей вместо антенн (antennapedia), и появление второй пары крыльев.

Дупликации генов, содержащих гомеобокс, может вызывать образование новых сегментов тела, таким образом, такие дупликации имеют значение в эволюции сегментированных животных.

Регуляция

Регуляция Hox-генов очень сложная и включает в себя реципрокные взаимодействия, в основном ингибиторные. У дрозофилы известны две группы генов белки группы Polycomb и Trithorax. Комплексы, поддерживающие эскпрессию генов Hox работают в течение развития личинки после понижающей регуляции генов pair-rule и gap. Белки группы Polycomb могут подавлять HOX-гены путем изменения структуры хроматина.^[4]

Примечания

1. ↑ McGinnis W; Levine MS, Hafen E, Kuroiwa A, Gehring WJ (1984). «A conserved DNA sequence in homoeotic genes of the Drosophila Antennapedia and bithorax complexes». Nature 308 (5958): 428–33. DOI:10.1038/308428a0. PMID 6323992.
2. ↑ Scott MP; Weiner AJ (1984). «Structural relationships among genes that control development: sequence homology between the Antennapedia, Ultrabithorax, and fushi tarazu loci of Drosophila». PNAS 81 (13): 4115–9. DOI:10.1073/pnas.81.13.4115. PMID 6330741.
3. ↑ Ryan, Joseph F; Maureen E. Mazza, Kevin Pang, David Q. Matus, Andreas D. Baxevanis, Mark Q. Martindale, John R. Finnertyl (2007-01). «Pre-Bilaterian Origins of the Hox Cluster and the Hox Code: Evidence from the Sea Anemone, Nematostella vectensis». PLoS ONE 2 (1): e153. DOI:10.1371/journal.pone.0000153.
4. ↑ Portoso M and Cavalli G The Role of RNAi and Noncoding RNAs in Polycomb Mediated Control of Gene Expression and Genomic Programming // RNA and the Regulation of Gene Expression: A Hidden Layer of Complexity. — Caister Academic Press, 2008. — ISBN ISBN 978-1-904455-25-7

Ссылки

• Lodish et al Molecular Cell Biology. — 5th Edition. — New York: W.H. Freeman and Company, 2003. — ISBN 0-7167-4366-3
• Ogishima S; Tanaka H. (January 2007). «Missing link in the evolution of Hox clusters». Gene 387 (1-2): 21–30. DOI:10.1016/j.gene.2006.08.011. PMID 17098381.
• Zhong YF, Butts T, Holland PWH, 2008. HomeoDB: база данных по разнообразию генов гомеобокса
• Ресурсы по гомеобоксу, by Thomas R. Bürglin
• Открытие гомеобокса