HOX-GENER: OPPDAGELSE, EGENSKAPER OG EVOLUSJON - BIOLOGI - 2025

De Hox-genene er en stor familie gen som er ansvarlig for å regulere utviklingen av kroppsstruktur. De er funnet i alle metazoans og i andre avstamninger, for eksempel planter og dyr. Derfor er de preget av å være evolusjonært veldig bevart.

Disse genene fungerer som følger: de koder for en transkripsjonsfaktor - et protein som er i stand til å samhandle med DNA - som kommer til uttrykk i et spesifikt område hos individet fra de tidligste stadier av utvikling. Denne DNA-bindingssekvensen kalles en homeobox.

Kilde: Antonio Quesada Díaz, via Wikimedia Commons

Med nesten 30 års forskning på dette feltet har forskere studert forskjellige avstamninger og har konkludert med at uttrykksmønstrene til disse genene er sterkt forbundet med regionaliseringen av kroppsaksene.

Dette bevis tyder på at Hox-genene har spilt en uunnværlig rolle i utviklingen av de kroppslige planene til levende vesener, spesielt i Bilateria. Dermed har Hox-genene gjort det mulig å forklare det fantastiske mangfoldet av dyreformer, fra et molekylært perspektiv.

Hos oss mennesker er det 39 Hox-gener. Disse er gruppert i fire klynger eller grupper, lokalisert på forskjellige kromosomer: 7p15, 17q21.2, 12q13 og 2q31.

Oppdagelse

Oppdagelsen av Hox-genene var en milepæl i evolusjons- og utviklingsbiologi. Disse genene ble oppdaget mellom 70- og 80-tallet takket være observasjonen av to nøkkelmutasjoner i fruktflue, Drosophila melanogaster.

En av mutasjonene, antennapedia, forvandler antennene til ben, mens bithorax-mutasjonen forårsaker transformasjon av halterer (modifiserte strukturer, typisk for vingede insekter) til et annet par vinger.

Som det fremgår, når Hox-genene har mutasjoner, er resultatet av dette ganske dramatisk. Og som i Drosophila, fører endringen til dannelse av strukturer på feil steder.

Før oppdagelsen av Hox-genene, mente de fleste biologer at morfologisk mangfold ble støttet av variasjon på DNA-nivå. Det var logisk å anta at de åpenbare forskjellene mellom en hval og en kolibri, for eksempel, måtte gjenspeiles i genetiske termer.

Med fremkomsten av Hox-genene tok denne tankegangen en fullstendig vending, og ga vei for et nytt paradigme innen biologi: en felles vei for genetisk utvikling som forener Metazoanes ontogeni.

Hva er Hox-gener?

Før du definerer begrepet Hox-gener, er det viktig å vite hva et gen er og hvordan det fungerer. Gener er DNA-sekvenser hvis budskap er uttrykt i en fenotype.

Meldingen om DNA er skrevet i nukleotider, i noen tilfeller går disse over i et messenger-RNA, og dette blir oversatt av ribosomer til en sekvens av aminosyrer - de strukturelle "byggesteinene" av proteiner.

Hox-gener er den mest kjente klassen av homeotiske gener, hvis funksjon er å kontrollere spesifikke mønstre av kroppsstrukturer. Disse har ansvaret for å kontrollere identiteten til segmentene langs dyrenes anteroposterior akse.

De tilhører en enkelt familie av gener som koder for et protein som har en spesifikk aminosyresekvens som er i stand til å samhandle med DNA-molekylet.

Det er her begrepet homeobox kommer fra for å beskrive dette avsnittet i genet, mens det i proteinet kalles homeodomain. Homeobox-sekvensen har en sekvens på 180 basepar, og disse domenene er evolusjonært sterkt bevart blant forskjellige Phyla.

Takket være denne interaksjonen med DNA, er Hox-generene i stand til å regulere transkripsjonen av andre gener.

Terminologi

Generene som er involvert i disse morfologiske funksjonene kalles homeotiske loci. I dyreriket er de viktigste kjent som HOM loci (i virvelløse dyr) og Hox loci (i virveldyr). Imidlertid er de generelt kjent som Hox loci.

kjennetegn

Hox-genene har en serie med veldig særegne og interessante egenskaper. Disse viktige aspektene er med på å forstå dens funksjon og potensielle rolle i evolusjonsbiologien.

Disse genene er organisert i "genkomplekser", noe som betyr at de ligger tett sammen på kromosomene - med tanke på deres romlige beliggenhet.

Det andre kjennetegn er den overraskende korrelasjonen som eksisterer mellom rekkefølgen på genene i DNA-sekvensen og den anteroposterior beliggenhet av produktene til disse genene i embryoet. Generelt er genene som går "frem" i den posisjonen.

Tilsvarende er det i tillegg til romlig kollinearitet en tidsmessig korrelasjon. Gener lokalisert ved 3'-enden forekom tidligere i utviklingen av individet, sammenlignet med de som ble funnet lenger bak.

Hox-genene tilhører en klasse kalt ANTP, som også inkluderer ParaHox-genene (relatert til disse), NK-gener og andre.

Evolusjon av gener

Ingen gener fra ANTP-klassen var fra Metazoans. I den evolusjonære utviklingen av denne dyregruppen var porifrene den første gruppen som skilte seg, etterfulgt av cnidariene. Disse to linjene representerer de to basalgruppene av bilaterale.

Genetisk analyse utført på den berømte svampen Amphimedon queenslandica - dens berømmelse skyldes gener for nervesystemet - avslørte at denne porøs har flere gener av NK-typen, men ingen Hox- eller ParaHox-gener.

Hox-gener som sådan er ikke rapportert hos cnidarianere som oppfyller de nevnte egenskapene. Imidlertid er det Hox-lignende gener.

På den annen side har virvelløse dyr en enkelt klynge av Hox-gener, mens virveldyr har flere kopier. Dette faktum har vært avgjørende og har inspirert utviklingen av teorier om evolusjonen til gruppen.

Opprinnelsen til virveldyr

Det klassiske synet på dette aspektet hevder at de fire genklyngene i det menneskelige genom oppsto takket være to runder med replikering av hele genomet. Imidlertid har utviklingen av nye sekvenseringsteknologier satt tvil om teorien.

Det nye beviset favoriserer hypotesen relatert til småskala hendelser (segmentduplisering, individuell duplisering av gener og translokasjoner) som oppnådde det høye antallet Hox-gener som vi observerer i dag i denne gruppen.

referanser

1. Acampora, D., D'esposito, M., Faiella, A., Pannese, M., Migliaccio, E., Morelli, F., … & Boncinelli, E. (1989). Den humane HOX-genfamilien. Nukleinsyrer forskning, 17 (24), 10385-10402.
2. Ferner, DE (2011). Hox og ParaHox gener innen evolusjon, utvikling og genomikk. Genomikk, proteomikk og bioinformatikk, 9 (3), 63-4.
3. Hrycaj, SM, & Wellik, DM (2016). Hox gener og evolusjon. F1000Forskning, 5, F1000 Fakultet Rev-859.
4. Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A., & Halliday, HL (2006). HOX-gener: forførende vitenskap, mystiske mekanismer. Ulster legetidsskrift, 75 (1), 23-31.
5. Pearson, JC, Lemons, D., & McGinnis, W. (2005). Modulerende Hox-genfunksjoner under mønstre av dyrekropper. Nature Reviews Genetics, 6 (12), 893.