Homeoottiset geenit (tai homeoottiset geenit ) - geenit , jotka määrittävät kasvu- ja erilaistumisprosessit kehossa. Homeoottiset geenit koodaavat transkriptiotekijöitä, jotka ohjaavat elinten ja kudosten muodostumisohjelmia [1] .
Homeoottisten geenien mutaatiot voivat aiheuttaa kehon osan muuttumisen toiseksi. Homeoottiset mutantit ovat organismeja, joissa elimen tilalle kehittyy erityyppinen elin. Esimerkiksi Drosophilassa , kun antennapedia mutatoituu, antennin tilalle muodostuu raaja .
Homeoottiset geenit ohjaavat muiden geenien toimintaa ja määräävät alkion tai tietyn elimen (kudoksen, kehon osan) ulkoisesti erottumattomien osien transformaatiota. Erityisesti homeoottiset geenit säätelevät erojen esiintymistä monisoluisten eläinten segmenteissä varhaisessa alkionkehityksessä. Hyönteisissä homeoottisilla geeneillä on keskeinen rooli alkionosien ja niissä olevien rakenteiden (jalat, antennit, siivet, silmät) rakenteellisten ominaisuuksien määrittämisessä.
Eläinten homeoottiset geenit kuuluvat Hox-geenien perheeseen . Kaikki tämän perheen geenit eivät kuitenkaan ole homeoottisia. Siten Drosophilassa Antennapedia-kompleksin Hox-geeneihin kuuluvat zerknullt-, zerknullt2-, bicoid- ja fushi tarazu-geenit, jotka eivät ole homeoottisia. [2]
On myös ParaHox -geeniperhe . Ihmisen genomissa on kuusi ParaHox-geeniä (GSX1, GSX2, PDX1 , CDX1 , CDX2 , CDX4 ), joista kolme geeniä (GSX1, PDX1 (=IPF1), CDX2) muodostaa klusterin kromosomissa 13 [3] .
Kasveissa tunnetaan myös homeoottisten geenien ohjaamia prosesseja: phyllotaxis, kukkien ja kukintojen kehitys.
Homeoottiset geenit sisältävät homeoboxin - 180 DNA -emäsparin sekvenssin , joka muodostaa homeodomeenin koodatussa proteiinissa .
Homeodomeeni löydettiin ensimmäisen kerran kehitystä ohjaavien geenien koostumuksesta ja erityisesti homeoottisten geenien koostumuksesta Drosophilassa. Monet homeoboxin sisältävät geenit eivät kuitenkaan ole homeoottisia. Siten homeobox on spesifinen nukleotidisekvenssi, kun taas homeoosi on mahdollisuus homeoottisen mutaation muodostumiseen. [neljä]
Homeoboxin nukleotidisekvenssi on erittäin konservoitunut. Homeoottisten proteiinien toiminnallinen vastaavuus voidaan todistaa sillä, että kärpäsen kehitys vastaavien kanan homeoottisten geenien kanssa etenee normaalisti. [5] Vaikka kanan ja kärpäsen yhteinen esi-isä oli olemassa noin 670 miljoonaa vuotta sitten, [6] kanojen homeoottiset geenit ovat samanlaisia kuin kärpästen geenit siinä määrin, että ne voivat korvata toisensa.
Geneettisen koodin rappeutumisesta johtuen proteiinien aminohappotähteiden sekvenssi on konservatiivisempi kuin DNA:n nukleotidisekvenssi, koska eri kodonit voivat koodata yhtä aminohappoa . Yksi mutaatio homeoottisten geenien DNA:ssa voi johtaa silmiinpistävään muutoksiin organismissa (katso homeoottiset mutaatiot ).
Homeoottisten geenien proteiinituotteet kuuluvat erityiseen proteiiniluokkaan, jota kutsutaan transkriptiotekijöiksi, jotka sitoutuvat DNA :han ja säätelevät geenin transkriptiota . Homeodomeenisekvenssi koostuu 60 aminohappotähteestä. Drosophilassa Antennapedian homeoottisen geenin proteiinituote aktivoi geenejä, jotka määrittävät toisen rintakehän segmentin, joka sisältää jalat ja siivet, rakenteen ja tukahduttaa silmien ja antennien muodostumiseen osallistuvia geenejä. [7] Geenejä, joita säätelevät homeoboksia sisältävät proteiinit, kutsutaan toteuttajageeneiksi, ja ne ovat segmenttipolariteettigeenien proteiinituotteita, jotka koodaavat kudos- ja elinspesifisiä proteiineja.
Enhancer-sekvenssit, jotka sitoutuvat homeomainiinDNA-sekvenssi, johon homeodomeeni sitoutuu, sisältää nukleotidisekvenssin 5'-TAAT päässä , ja se on tärkein sitoutumisen kannalta. [8] Tämä nukleotidisekvenssi on konservoitunut lähes kaikissa homeodomeenin sitoutumiskohdissa . Koska monilla homeodomeenin sisältävillä proteiineilla on samat tunnistuskohdat, tätä initiaattorisekvenssiä seuraavia emäspareja käytetään erottamaan nämä proteiinit toisistaan. Esimerkiksi homeodomeenin sisältävän proteiinin yhdeksäs aminohappo tunnistaa sitten nukleotidisekvenssin. Äidin vaikutusgeenin, Bicoidin , koodaama proteiini sisältää tässä kohdassa lysiinitähteen , joka tunnistaa ja sitoo guaniinia . Antennapedia- proteiinissa tämä asema sisältää glutamiinia , joka tunnistaa adeniinin ja sitoutuu siihen . Jos Bicoid-proteiinin lysiinitähde korvataan glutamiinilla, muuttunut proteiini tunnistaa Antennapedia-spesifiset tehostajakohdat. [9] [10]TTAAT
Hox-geenit sijaitsevat yhdessä tai useammassa (enintään neljässä) kromosomissa, yleensä tiiviissä ryhmissä (klustereissa), joissa säilyy enemmän tai vähemmän tiukka järjestys: "pää"-geenit ovat edessä, "häntä"-geenit takana. . Monisoluisten organismien primitiivisemmillä edustajilla, kuten ctenoforilla (Ctenophora) ja coelenteraatteilla (Cnidaria), näitä alkion säätelygeenejä on vain neljä, nisäkkäissä niitä on jo 48.
Hox-geeniperhe on jaettu 14 luokkaan. Näiden 14 luokkaa uskotaan syntyneen yhden tai muutaman alkuperäisen geenin päällekkäisyydestä, minkä jälkeen jäljennökset mutatoituvat ja ottavat uusia toimintoja. Primitiivisillä koelenteraatteilla ja ctenoforeilla on vain 4 luokkaa Hox-geenejä, bilateraalisesti symmetristen eläinten oletetulla yhteisellä esi-isällä olisi pitänyt olla niitä vähintään 8, ja kaikki 14 luokkaa ovat läsnä nisäkkäissä. Näiden geenien toimintaperiaate on sama. Heidän tuotteet ovat transkriptiotekijöitä, joiden tehtävänä on "sammuttaa" tai "sammuttaa" muut geenit. Hox-tekijöiden työn seurauksena käynnistetään reaktiokaskadi, joka johtaa tarvittavien proteiinien ilmestymiseen soluun.
Viimeisen vuosikymmenen aikana Hox-geenien DNA -sekvenssejä on purettu monissa eläinryhmissä: annelidit, litteät madot, piikkinahkaiset, sukkulamadot, niveljalkaiset, vaippaeläimet, lansetit, nisäkkäistä puhumattakaan.
AsetusHomeoottiset geenit säätelevät toteuttajageenien toimintaa, ja niitä puolestaan säätelevät aukko- ja parisääntögeenit , jotka ovat useiden äitivaikutusgeenien morfogeeniproteiinien hallinnassa . Tämä johtaa transkriptiotekijöiden sarjaan : äidin vaikutusgeeneihin kuuluvat aukko- ja parisääntögeenit; aukko- ja parisääntögeenit sisältävät homeoottisia geenejä; Lopuksi homeoottisiin geeneihin kuuluvat toteuttajageenit, jotka johtavat alkion segmentoitumiseen ja erilaistumiseen.
Tällainen säätely suoritetaan morfogeeniproteiinien pitoisuusgradienteilla. Yhden äidin proteiinin korkea pitoisuus ja muiden alhainen pitoisuus sisältää tietyn joukon aukko- ja parisääntögeenejä. Kärpäsissä tasaisesti ohitetun alkiogeenin toinen ilmentymisvyöhyke aktivoituu äidin proteiinien Bicoid ja Hunchback avulla ja tukahdutetaan gap Giant- ja Kruppel-proteiinien avulla [11] .
Hox-klustereissa olevat mikroRNA - molekyylit estävät etuosan homeoottisia geenejä voimakkaammin, luultavasti niiden ilmentymisen tarkemman säätelyn vuoksi. [12]
Koodaamattomat RNA:t (ncRNA:t) ovat laajalti jakautuneita homeoottisissa geeniklustereissa . Yksi ihmisen ei-koodaavista RNA-geeneistä, HOTAIR, vähentää homeoottisten geenien transkription tasoa (se transkriptoituu HOXC-klusterista ja estää myöhäisiä HOXD-geenejä) sitoutumalla Polycomb-ryhmän proteiineihin (PRC2). [13]
Kromatiinin rakenne on välttämätön transkriptiolle , mutta tarvitaan myös silmukkaa pois kromosomialueilta, joissa klusteri sijaitsee. [14] Kvantitatiivinen PCR osoitti joitain kollineaarisuusmalleja: järjestelmä on tasapainossa ja transkriptien kokonaismäärä riippuu lineaarisessa sekvenssissä esitettyjen geenien lukumäärästä. [viisitoista]
Virheet homeoottisten geenien ilmentymisessä johtavat suuriin muutoksiin yksilön morfologiassa. Homeoottiset mutaatiot kuvaili ensimmäisen kerran vuonna 1894 William Batson , joka kuvasi heteiden esiintymistä terälehtien tilalla.
1940-luvun lopulla Drosophila melanogaster -mallikasvissa Edward Lewis tutki homeoottisia mutaatioita, jotka johtivat outojen elinten muodostumiseen. Raajojen kehittymiseen osallistuvien geenien mutaatiot voivat johtaa epämuodostuksiin tai jopa kuolemaan. Esimerkiksi Antennapedia-geenin mutaatiot johtavat raajojen muodostumiseen kärpäsen päähän antennien tilalle. [16]
Toinen hyvin tunnettu esimerkki Drosophilassa on mutaatio homeoottisessa geenissä Ultrabithorax , joka määrää kolmannen rintakehän segmentin kehittymisen. Yleensä tässä segmentissä on pari jalkoja ja pari riimuja (pienennetyt siivet). Mutanteilla, joilla ei ole toimivaa Ultrabithorax-proteiinia, kolmas segmentti kehittää samat rakenteet kuin toinen rintakehäsegmentti, jossa on pari raajoja ja pari täysin kehittyneitä siipiä. Tällaisia mutantteja löytyy joskus hedelmäkärpästen villipopulaatioista, ja tällaisten mutanttien tutkiminen on johtanut homeoottisten eläingeenien löytämiseen.
Homeoottiset geenit monien eläinten kromosomeissa sijaitsevat hyvin lähellä toisiaan muodostaen klustereita. Samaan aikaan Drosophilassa havaitaan kollineaarisuutta - kromosomissa olevien geenien sekvenssi vastaa niiden ilmentymissekvenssiä kehon anterior-posterior-akselilla.
Eri taksoneissa oleville homeoottisille geeneille on annettu eri nimiä, mikä on johtanut sekaannukseen nimikkeistössä. Joidenkin protostomien ( Ecdysozoa - niveljalkaiset, sukkulamadot) tapauksessa homeoottiset geenit muodostavat kaksi klusteria Antennapedia ja Bithorax , joita yhdessä kutsutaan nimellä HOM-C (Homeotic Complex). Deuterostomien (piikkinahkaisten, chordaattien) tapauksessa homeoottisia geenejä kutsutaan Hox -geeneiksi, ja klustereita on neljä: Hoxa, Hoxb, Hoxc ja Hoxd. Prostotomeissa gomesis-geenejä kutsutaan usein myös Hox-geeneiksi, vaikka tämä ei ole täysin oikein.
Ecdysozoassa on noin kymmenen homeoottista geeniä. Selkärankaisilla on neljä sarjaa paralogeja kymmenestä geenistä Hoxa, Hoxb, Hoxc ja Hoxd. Nämä paralogien klusterit muodostuivat selkärankaisten genomien kahden päällekkäisyyden seurauksena. [17]
Molemmat päällekkäisyydet tapahtuivat sen jälkeen, kun lansselien ja vaippaeläinten esi-isät erosivat yhteisestä rungosta selkärankaisten kanssa ja ennen kuin nisäkkäiden ja rustokalojen evoluutionaariset linjat erosivat. Todennäköisimmin ensimmäinen päällekkäisyys tapahtui vähän ennen leuattomien ja gnathostomien sukulinjojen eroamista ja toinen pian sen jälkeen (näiden sukulinjojen erottaminen tapahtui todennäköisesti noin 530 miljoonaa vuotta sitten). [kahdeksantoista]
Vaikka selkärankaisten homeoottiset geenit ovat kopioita Ecdysozoa- geeneistä , nämä kopiot eivät ole identtisiä. Ajan myötä kertyvien mutaatioiden seurauksena proteiinit suorittavat erilaisia toimintoja. Eri selkärankaisten ryhmissä jotkut geenit katoavat tai kopioidaan.
Hoxa ja Hoxd määrittävät raajojen kehityksen. Hox-ilmentymisellä raajassa on kaksi vaihetta - ensimmäisessä vaiheessa itse raaja kehittyy, myöhemmässä vaiheessa Hoxd 8 - 13 toimii ja sormet muodostuvat, kun taas Hoxd 13:n 5'-päässä on erillinen säätelyalue. geeni, jota ei löydy Teleosteista . [19]
Mutaatioiden merkityksen homeoottisissa geeneissä perinnöllisyysteorian kehitykselle huomautti ensimmäisen kerran tämän termin kirjoittaja William Batson vuonna 1894. 1920-luvulla S. S. Chetverikovin opiskelija E. I. Balkashina tutki homeoottisia mutaatioita (mukaan lukien Drosophilassa ) . Balkashina kuvasi aristopedian mutaation Drosophilassa ja totesi homeoosin ilmiöiden rinnakkaisuuden homeoottisten geenien regeneraation ja mutaatioiden aikana sekä kartoitti tuolloin tunnetut kolme Drosophilan homeoottista geeniä.
Edward Lewis aloitti vuonna 1948 systemaattisen tutkimuksen homeoottisista geeneistä, jotka säätelevät kuvitteellisten toukkalevyjen kehittymistä aikuisiksi elimille . Lewis löysi kollineaarisuuden avaruudessa kromosomissa olevan bithorax- kompleksin geenien järjestyksen ja mielikuvituslevyjen (segmenttien) järjestyksen välillä, joiden kehityksestä ne ovat vastuussa kehon anterior-posterior-akselilla.
Christiane Nüsslein-Volhard ja Eric Wieschaus luokittelivat 15 geeniä, jotka määrittävät kehon rakenteen ja segmenttien muodostumisen Drosophila melanogasterissa . Vuonna 1995 tutkijat saivat lääketieteen Nobel-palkinnon.
Tammikuussa 2013 espanjalaiset tutkijat suorittivat kokeen tuodakseen seeprakalan genotyyppiin hiiriltä lainatun hoxd13 -geenin, joka on vastuussa raajojen kehittymisestä maalla liikkumista varten. Kaloilla itsellään on samanlainen geeni, mutta se ei osoita riittävää aktiivisuutta tassujen kehittymiselle. Kokeen tuloksena kalat saivat evien sijaan raajojen alkeet, jotka pystyivät tarjoamaan liikkumista maassa. [kaksikymmentä]
Kasvien kehitystä säätelevien geenien ilmentymistä säätelevät sisäiset ja ulkoiset tekijät. Niiden toimintaan vaikuttavia sisäisiä tekijöitä ovat hormonit , sakkaroosi ja jotkut mineraalielementit, ja ulkoisia tekijöitä ovat lämpötila ja valo. Tärkeä rooli erilaistumis- ja kehitysprosessien säätelyssä on geeneillä, jotka sisältävät fytohormoneille ja ympäristötekijöille, kuten valolle ja lämpötilalle herkkiä ja spesifisiä promoottoreita . Monien geenien, joiden toimintaa säätelevät kasvihormonit, promoottorit sisältävät transkriptioelementtejä, jotka määräävät kasvien kasvureaktioiden hormonaalisen spesifisyyden.
Tällä hetkellä on tunnistettu keskeisiä geenejä, jotka säätelevät alkion muodostumista, ikääntymistä ja fotomorfogeneesiä, säätelevät apikaalisten, lateraalisten ja kukkaisten meristeemien toimintaa ja ovat vastuussa juurien, lehtien ja verisuonten muodostumisesta. Kukkien kehitystä säätelevien geenien ilmentyminen on parhaiten tutkittu. Tällä hetkellä saatavilla olevan geneettisen tiedon, matemaattisten laitteiden ja tietokoneohjelmien perusteella on mahdollista rakentaa niin sanottuja geneettisiä säätelyverkostoja, joiden avulla voimme arvioida eri säätelygeenien välisten vuorovaikutusten koko kirjoa solujen erilaistumisprosessissa ja kasvien elinten muodostumisessa. . Näiden verkkojen yksittäiset elementit pystyvät ohjaamaan useita prosesseja eri kehitysvaiheissa. Siksi mutaatiot, jotka vaikuttavat saman säätelygeenin eri alueisiin, voivat vaihdella fenotyyppisessä ilmenemismuodossaan.
Korkeammissa kasveissa on parhaiten tutkittu kahden tyyppisten kehityssäätelygeenien: homeoboksia sisältävän ja MADS-box- geenin toimintaa .
Homeoboxia sisältävät geenit tunnistetaan noin 180 emäsparin tyypillisen DNA-sekvenssin (homeobox) läsnäolon perusteella, joka koodaa homeodomeenia , useiden transkriptiotekijöiden konservoitunutta aluetta. Tämä nukleotidisekvenssi on tyypillinen kehityssäätelyn kaskadityyppisille geeneille.
Maissi KNOTTED1 (KN1) oli ensimmäinen kloonattu kasvigeeni, joka koodaa homeodomeenia sisältävää proteiinia. Knotted 1 -mutaatio aiheuttaa KN1-geenin ilmentymisen väärään aikaan ja väärässä paikassa. Kn1-mutanteissa soluryhmiä ilmaantuu jo erilaistuneiden lehtisolujen ympärille, jotka edelleen jatkavat jakautumista. Jakautuvien solujen ryhmät, jotka sijaitsevat pitkin vaskulaarisia elementtejä koko lehden terässä, muodostavat niin sanottuja solmuja (solmuja). Myöhemmin löydettiin koko perhe KN1:n kaltaisia geenejä, nimeltään KNOX (KNOTTED1-like HOMEOBOX). KNOX-perheen geenien yli-ilmentyminen vääristää myös lehtien kehitystä.
Kasvien KNOX-geeneistä on tutkituimmin suuri joukko versojen apikaalisen meristeemin aktiivisuuden ja lehtien kehityksen säätelyyn osallistuvaa ryhmää: KN1 ja RS1 maissilla, KNAT1, KNAT2 ja STM Arabidopsis thalianassa , HvKNOX3 ohrassa ja OSH1 riisissä. KN1-, STM-geenit ja niiden toiminnalliset analogit ovat vastuussa meristeemien solujen jakautumisen ylläpitämisestä ja estävät niiden erilaistumisen edelleen. Nämä geenit ilmentyvät versojen apikaalisissa meristeemeissä sekä kukkameristeemeissä.
Termi "MADS-box" on johdettu neljän geenin alkukirjaimista: hiiva MCM1, Arabidopsis AG, snapdragon DEF ja nisäkäs SRF. MADS-laatikon sisältäviin geeneihin kuuluvat erityisesti AG ( AGAMOUS ), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) ja AP3 (APETALA3), TFL1 (TERMINAL FLOWER), PI (PISTILLATA). Tämän tyyppiset geenit säätelevät florogeneesia ja määräävät solujen kohtalon munasolussa; niiden ilmentymistä löydettiin alkiosta, juurista ja lehdistä. MADS-laatikkogeenit sisältävät suurimman osan kasvien homeoottisista geeneistä, erityisesti kukkaelinten identiteetin geenejä. Oletetaan, että uusien elinten, esimerkiksi munasolujen ja siementen, syntymiseen kasvien asteittaisessa evoluution prosessissa liittyi MADS-laatikkogeenien uusien alaryhmien ilmaantuminen.
Suoraa kasvien elinten ja kudosten kehitystä ohjaavat transkriptiotekijät (TF:t), proteiinit, jotka solun ytimeen siirtymisen jälkeen säätelevät transkriptiota vuorovaikuttamalla spesifisesti DNA:n tai muiden proteiinien kanssa, jotka voivat muodostaa proteiini-DNA-kompleksin.
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
---|