Gene Hox

Os genes Hox são uma família de genes reguladores . Seus produtos gênicos são fatores de transcrição que controlam a atividade de outros genes funcionalmente relacionados no curso do desenvolvimento individual ( morfogênese ). Portanto, eles pertencem aos genes homeóticos .
O componente característico de um gene Hox é o homeobox . É uma sequência característica de genes homeóticos. Os homeoboxes codificam nas células para áreas de proteína específicas delimitáveis ​​ou domínios de proteína (homeodomínios). Geralmente consistem em 60 aminoácidos e possuem um domínio de ligação ao DNA. A sequência de bases do homeobox é muito semelhante em todos os genes Hox de todas as espécies animais. Isso leva à conclusão de que eles já foram preservados no início da história evolutiva ; obviamente, as mutações são geralmente fatais aqui.

Cromossomo metafásico (esquema):
1   uma das duas cromátides (azul)
2   no centrômero (vermelho) as duas cromátides estão fixadas - é aqui que os microtúbulos se fixam na mitose .
3   braço curto (p-braço)
4   braço longo (q-braço)
Representação esquemática de um cluster de gene Hox em um braço da cromátide (o centrômero está à esquerda)

tarefas

A principal tarefa dos genes Hox é estruturar o embrião ao longo do eixo longitudinal do corpo (anatomicamente: eixo cranio-caudal). Eles cumprem essa tarefa em todos os animais que possuem um eixo corporal. Diferentes cepas ou ordens têm diferentes números de genes Hox durante o desenvolvimento embrionário, cada um em uma seção específica expressa em . Isso resulta em uma sequência de listras dentro do tecido embrionário. As células nesta faixa recebem informações posicionais sobre sua posição no embrião em desenvolvimento; sua divisão posterior, sua diferenciação e possivelmente sua morte celular programada ( apoptose ) ocorrem de acordo com essa situação. O treinamento e a forma específica das extremidades são particularmente impressionantes . Nos insetos, os genes Hox determinam se as extremidades se desenvolvem em um segmento. Mais tarde, eles regulam que tipo de extremidades são formadas (por exemplo , antenas , peças bucais , pernas, asas ). No embrião de vertebrado (também em humanos), os genes Hox determinam, entre outras coisas, a formação e o formato das vértebras (vértebras cervicais, vértebras torácicas, vértebras lombares) e costelas. Os grupos troncos de insetos (Arthropoda) e vertebrados (Chordata) são organismos segmentados. No entanto, os genes Hox estão envolvidos na organização da mesma maneira em organismos sem segmentos.

O segundo eixo do corpo da bilateria , o eixo anterior-posterior (anatomicamente: eixo dorsal-ventral), não é controlado pelos genes Hox. Outros fatores de transcrição são responsáveis por sua determinação : proteína decapentaplégica ou morfogenética óssea (Dpp / Bmp) e gastrulação curta ou chordina (Sog / Chrd).

evolução

Os genes Hox são apenas uma parte de uma família maior de genes, cada um com funções semelhantes. Além dos genes Hox, também existem famílias de genes ParaHox e os chamados genes NK (nomeados em homenagem a seus descobridores, Niremberg e Kim). Com algumas outras famílias de genes menores, eles formam o que é conhecido como megacluster ANTP . As respectivas famílias podem ter relações especiais com um dos cotilédones embrionários : Hox para o neuroectoderma , ParaHox para o endoderma , NK para o mesoderma . Se essa teoria fosse confirmada, teria efeitos profundos na reconstrução da árvore genealógica comum dos filos animais.

Todos os genes pertencentes a este subtítulo apresentam uma concordância tão grande em sua sequência de bases, mesmo fora do homeobox, que se presume que foram criados pela duplicação de genes de um único gene original. Genes do megacluster ANTP foram encontrados em todos os animais multicelulares examinados. Eles não ocorreram em nenhum organismo unicelular ( Protozoa ) investigado até o momento , especialmente não nos coanoflagelados , que são geralmente considerados como o grupo irmão de animais multicelulares, ou seja, H. são os mais próximos relacionados a eles entre os organismos unicelulares. A família do gene deve ter existido com o ancestral comum de todos os Metazoa (no Pré-cambriano). Os genes Hox reais são comuns a todos os filos animais, com exceção das esponjas , a água-viva do pente (e possivelmente o placozoário ). Nos cnidários (Cnidaria) existem dois genes Hox. O Bilateria mais primitivo, o Acoelomorpha , tem quatro. Em todos os filos animais mais altamente organizados, a situação se torna mais complicada porque os genes Hox individuais se dividiram (dobraram) e outros desapareceram em linhas diferentes. Como resultado, os genes Hox restantes nem sempre correspondem diretamente, mesmo que seu número seja o mesmo. Artrópodes e moluscos , por exemplo, cada um tem nove genes Hox.

As circunstâncias são mais complicadas no tronco da Deuterostomia , à qual também pertencem os vertebrados . O peixe-lanceta Amphioxus , o último sobrevivente representante dos sem cabeça (Acrania), que são considerados os parentes mais próximos do ancestral dos vertebrados superiores, tem quinze genes Hox. Os vertebrados quadrúpedes ( Tetrapoda ) têm 39 genes Hox, que podem ser divididos em quatro grupos de genes . Agora é amplamente aceito que o genoma dos vertebrados (incluindo os genes Hox) dobrou completamente duas vezes no curso da evolução. O número atual vem da perda subsequente de genes individuais em um momento posterior. Diferentes linhas de desenvolvimento dos peixes ósseos , nas quais houve mais duplicação de genes após a divisão dos Tetrapoda, têm ainda mais genes Hox.

Os genes Hox de todas as tribos organizadas superiores podem ser atribuídos a quatro famílias de genes, que remontam aos quatro genes Hox do Urbilaterier. Os genes individuais dentro das diferentes cepas podem, em muitos casos, ser paralelizados com base em suas sequências de base, isto é, eles provavelmente surgiram do mesmo gene original no ancestral comum de ambas as linhagens ( homólogo ).

regulamento

Distribuição do gene Hox em um embrião de camundongo ( vertebrado )
Distribuição do gene Hox em Drosophila melanogaster ( invertebrados )

As proteínas Hox são fatores de transcrição que atribuem identidades diferentes a diferentes partes do corpo. Isso é feito regulando vários genes por trás dele (no jargão dos geneticistas: “ downstream ”), muitos dos quais são controlados por várias proteínas Hox. Em um segmento específico , pequenas diferenças na localização e no momento da expressão do gene Hox desempenham um papel importante no destino dos órgãos em desenvolvimento e das linhas celulares. Alguns genes Hox assumiram funções além da formação de padrões celulares (informações de posição).

O que é particularmente impressionante é que a sequência dos genes Hox no cromossomo corresponde à sequência das seções do corpo que eles controlam. Pelo menos no caso dos vertebrados, isso corresponde à seqüência de sua expressão temporal. Além disso, os genes Hox são geralmente organizados em uma única (ou em algumas) seções diretamente adjacentes à fita de DNA. Esse arranjo regular sugere processos regulatórios subjacentes que são preservados em grandes partes do reino animal. É a chamada colinearidade , termo pioneiro associado ao geneticista Denis Duboule .

Os genes Hox atuam em outros fatores de transcrição, mas também em vários (às vezes centenas) genes efetores, que podem ser ligados ou desligados como um interruptor. Para este propósito, como todos os fatores de transcrição, eles se ligam a uma seção (a chamada seqüência cis-reguladora ) adjacente à seqüência codificadora da proteína do gene . Os genes Hox são controlados por outros fatores de transcrição que foram previamente expressos na organização. Esses elementos de controle são extremamente difíceis de pesquisar em detalhes. Algumas descobertas estão disponíveis no organismo modelo mais importante dos geneticistas, a mosca da fruta Drosophila . Consequentemente, as sequências regulatórias são organizadas em módulos, cada um dos quais é protegido um do outro por "buffers" (elementos de separação). Embora a sequência de bases dos genes Hox seja conservada evolutivamente, os segmentos cis-reguladores já se mostraram muito diferentes em oito espécies diferentes de moscas-das-frutas. Dentro desse conjunto variável geral, no entanto, há obviamente domínios mais curtos que são tão semelhantes entre as diferentes espécies que trocas de uma espécie podem ser controladas por proteínas de outra espécie. Os elementos iniciadores dentro do respectivo módulo decidem sobre a expressão do gene Hox individual. Existem também outras proteínas regulatórias que podem desligar módulos inteiros ou mantê-los em um estado expressivo, alterando o "empacotamento" do DNA nos complexos cromatina- histona. No geral, a situação é extremamente complicada e as pesquisas ainda estão engatinhando. A ordem de magnitude pode ser estimada a partir do fato de que as sequências regulatórias constituem 98 por cento do tamanho total de um certo gene Hox de Drosophila (Ubx), e a seção de codificação de proteínas 2 por cento.

Se uma proteína Hox é expressa na parte errada do corpo (ectopicamente) por meio de uma mutação natural ou gerada artificialmente, isso tem sérias consequências para o desenvolvimento. Resultam deformidades graves, nas quais órgãos ou anexos do corpo surgem no lugar errado e a identidade de segmentos inteiros do corpo pode mudar. Fala-se aqui de transformações ou mutações homeóticas . Por exemplo, em vez de antenas, as pernas podem crescer na mosca da fruta ("Antennapedia"), ou em vez de segmentos abdominais, os segmentos torácicos são duplicados ("Bitórax"). Essas mutações homeóticas foram descobertas por geneticistas já em 1915. Eles eventualmente levaram à descoberta dos genes Hox. Mutações homeóticas geralmente levam à morte. Em humanos z. B. a formação de dedos adicionais ( polidactilia ) provavelmente devido a uma mutação homeótica.

Biologia evolutiva do desenvolvimento

A descoberta dos genes Hox foi provavelmente o gatilho mais importante para o surgimento de uma nova direção de pesquisa : a biologia do desenvolvimento evolucionária , frequentemente abreviada como "Evo-Devo". Como agora era possível, pela primeira vez, pesquisar diretamente a base genética para mecanismos fundamentais de desenvolvimento, a importância especial do desenvolvimento individual (ontogenético) para a evolução tornou-se a base para um programa de pesquisa completamente novo. O que é importante sobre a importância das restrições mecânicas do desenvolvimento na direção e velocidade dos processos evolutivos é que, pela primeira vez, uma base genética real para os planos corporais básicos e, portanto, as possibilidades para sua mudança evolutiva, são reconhecíveis. Por meio de diferentes expressões de genes Hox, processos como z. B. compreender o desenvolvimento das seções do corpo (Tagmata) dos insetos a partir de precursores segmentados de forma semelhante ou o desenvolvimento do plano corporal de cobras a partir de precursores semelhantes a lagartos. Outras descobertas essenciais dizem respeito às relações baseadas inteiramente no pedigree dos animais. Processos que antes eram completamente intrigantes, como a origem dos filos animais, agora são muito mais fáceis de entender.

Ainda existem ideias controversas dentro da ciência sobre o papel real dos próprios genes Hox nessas mudanças. Alguns cientistas acreditam que novos planos corporais podem ser criados em uma única etapa por meio de uma pequena mutação. Então você imagina a criação de um novo projeto como uma transformação homeótica muito rara e barata. A maioria dos cientistas, entretanto, discorda. Eles desenvolveram modelos de como pequenas mudanças na proporção de diferentes proteínas Hox podem resultar nas mesmas mudanças muito gradualmente .

literatura

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Links da web

Evidência individual

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