De Hox-generna är en stor genfamilj som är ansvariga för att reglera utvecklingen av kroppsstrukturer. De har hittats i alla metazomaner och i andra linjer, som växter och djur. Därför kännetecknas de av att de evolutionärt är mycket bevarade.
Dessa gener fungerar enligt följande: de kodar för en transkriptionsfaktor - ett protein som kan interagera med DNA - som uttrycks i ett specifikt område hos individen från de tidigaste utvecklingsstadierna. Denna DNA-bindande sekvens kallas en homeobox.
Källa: Antonio Quesada Díaz, via Wikimedia Commons
Med nästan 30 års forskning på detta område har forskare studerat olika linjer och har kommit fram till att uttrycksmönstren för dessa gener är starkt förknippade med regionaliseringen av kroppsaxlar.
Detta bevis tyder på att Hox-generna har spelat en oumbärlig roll i utvecklingen av levande varelser, särskilt i Bilateria. Således har Hox-generna gjort det möjligt att förklara den fantastiska mångfalden av djurformer, ur ett molekylperspektiv.
Hos oss människor finns 39 Hox-gener. Dessa grupperas i fyra kluster eller grupper, belägna på olika kromosomer: 7p15, 17q21.2, 12q13 och 2q31.
Upptäckt
Upptäckten av Hox-generna var en milstolpe i evolutionär och utvecklingsbiologi. Dessa gener upptäcktes mellan 70- och 80-talet tack vare observation av två viktiga mutationer i fruktflugan, Drosophila melanogaster.
En av mutationerna, antennapedia, förvandlar antennerna till ben, medan bithoraxmutationen orsakar omvandlingen av halter (modifierade strukturer, typiskt för vingade insekter) till ett annat vingarpar.
Som man kan se, när Hox-generna har mutationer, är resultatet av detta ganska dramatiskt. Och som i Drosophila leder förändringen till att strukturer bildas på fel platser.
Före upptäckten av Hox-generna trodde de flesta biologer att morfologisk mångfald stöds av variation på DNA-nivå. Det var logiskt att anta att de uppenbara skillnaderna mellan en val och en kolibri, till exempel, måste återspeglas i genetiska termer.
Med tillkomsten av Hox-generna tog detta tänkande en fullständig vänd och gav plats för ett nytt biologi-paradigm: en gemensam väg för genetisk utveckling som förenar Metazoans ontogeni.
Vad är Hox-gener?
Innan begreppet Hox-gener definieras är det viktigt att veta vad en gen är och hur den fungerar. Gener är DNA-sekvenser vars meddelande uttrycks i en fenotyp.
Meddelandet om DNA skrivs i nukleotider, i vissa fall överförs dessa till ett budbärar-RNA och detta översätts av ribosomer till en sekvens av aminosyror - de strukturella "byggstenarna" av proteiner.
Hox-gener är den mest kända klassen av homeotiska gener, vars funktion är att kontrollera specifika mönster av kroppsstrukturer. Dessa är ansvariga för att kontrollera identiteten hos segmenten längs djurens anteroposterioraxel.
De tillhör en enda genfamilj som kodar för ett protein som har en specifik aminosyrasekvens som kan interagera med DNA-molekylen.
Det är här termen homeobox kommer från för att beskriva detta avsnitt i genen, medan det i proteinet kallas homeodomain. Homeobox-sekvensen har en sekvens av 180 baspar och dessa domäner är evolutionärt mycket bevarade bland olika Phyla.
Tack vare denna interaktion med DNA kan Hox-generna reglera transkriptionen av andra gener.
Terminologi
De gener som är involverade i dessa morfologiska funktioner kallas homeotiska loci. I djurriket är de viktigaste kända som HOM loci (i ryggradslösa djur) och Hox loci (i ryggradsdjur). Men de är allmänt kända som Hox loci.
egenskaper
Hox-generna har en serie mycket speciella och intressanta egenskaper. Dessa viktiga aspekter hjälper till att förstå dess funktion och dess potentiella roll i evolutionär biologi.
Dessa gener är organiserade i "genkomplex", vilket innebär att de är nära varandra på kromosomerna - i termer av deras rumsliga plats.
Det andra kännetecknet är den överraskande korrelationen som finns mellan ordning av generna i DNA-sekvensen och den anteroposterior platsen för produkterna från dessa gener i embryot. De gener som går "framåt" är bokstavligen i den positionen.
På samma sätt, förutom rumslig kollinearitet, finns det en temporär korrelation. Gener lokaliserade vid 3'-änden förekommer tidigare i individens utveckling jämfört med de som finns längre tillbaka.
Hox-generna tillhör en klass som kallas ANTP, som också inkluderar ParaHox-generna (relaterade till dessa), NK-gener och andra.
Genutveckling
Inga gener från ANTP-klassen kom från Metazoans. I den evolutionära utvecklingen av denna djurgrupp var porifersna den första gruppen som separerade, följt av cnidarians. Dessa två linjer representerar de två basala grupperna av bilaterala.
Genetisk analys utförd på den berömda svampen Amphimedon queenslandica - dess berömmelse beror på gener för nervsystemet - avslöjade att denna poriferous har flera gener av NK-typen, men inga Hox- eller ParaHox-gener.
Hox-gener som sådana har inte rapporterats hos cnidarianer som uppfyller de nämnda egenskaperna. Det finns dock Hox-liknande gener.
Å andra sidan har ryggradslösa djur ett enda kluster av Hox-gener, medan ryggradsdjur har flera kopior. Detta faktum har varit avgörande och har inspirerat utvecklingen av teorier om gruppens utveckling.
Ryggradsdjurens ursprung
Den klassiska synen på denna aspekt hävdar att de fyra genklusteren i det mänskliga genomet har sitt ursprung tack vare två omgångar av replikering av hela genomet. Utvecklingen av nya sekvenseringstekniker har emellertid känt tvivel om teorin.
Det nya beviset gynnar hypotesen relaterad till småskaliga händelser (segmentduplisering, individuell duplicering av gener och translokationer) som uppnådde det höga antalet Hox-gener som vi observerar idag i denna grupp.
referenser
- Acampora, D., D'esposito, M., Faiella, A., Pannese, M., Migliaccio, E., Morelli, F., … & Boncinelli, E. (1989). Den humana HOX-genfamiljen. Nukleinsyraforskning, 17 (24), 10385-10402.
- Ferner, DE (2011). Hox- och ParaHox-gener inom evolution, utveckling och genomik. Genomics, proteomics & bioinformatics, 9 (3), 63-4.
- Hrycaj, SM, & Wellik, DM (2016). Hox-gener och evolution. F1000Forskning, 5, F1000 Fakultet Rev-859.
- Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A., & Halliday, HL (2006). HOX-gener: förförisk vetenskap, mystiska mekanismer. Ulster medicinska tidskrift, 75 (1), 23-31.
- Pearson, JC, Lemons, D., & McGinnis, W. (2005). Modulering av Hox-genfunktioner under mönster av djurskroppar. Nature Reviews Genetics, 6 (12), 893.