Przeczytaj

bg‑blue

Geny homeotyczne

Rozwój morfogenetyczny osobnika jest zakodowany w określonej sekwencji genów zwanych genami homeotycznymigeny homeotycznegenami homeotycznymi (inaczej homeoboksowymi). Są to niezwykle istotne geny, warunkujące wytworzenie prawidłowej budowy ciała wszystkich zwierząt. Kodują one białka, których działanie polega na włączaniu lub blokowaniu innych genów (czynniki transkrypcyjne).

bg‑yellow

Muszki owocówki

R1JdxLIZqldkP

Zdjęcie przedstawia muszkę owocówkę w przybliżeniu mikroskopu. Owad ten posiada półprzeźroczyste ciało, oraz parę długich czułków na końcu głowy. — Wywilżna karłowata (*Drosophila melanogaster*), zwana muszką owocówką, z mutacją homeotyczną w postaci struktur przypominających odnóża w miejscu czułków.
Źródło: toony, Wikipedia Commons, licencja: CC BY-SA 3.0.

Geny homeotyczne odkryto w trakcie badań genomu muszki owocówki. Niewielka część badanych osobników miała różne wady rozwojowe, polegające na zaburzeniu prawidłowej struktury ciała, np. na głowie wyrastało odnóże zamiast czułka. Analiza genetyczna wykazała wystąpienie specjalnego typu mutacji, zwanych homeotycznymi, w określonych sekwencjach genów.

Badania tego typu mutacji pozwoliły zlokalizować ok. 100 różnych genów warunkujących przebieg rozwoju zarodkowego i wykształcenie prawidłowych części ciała. Geny te kodowały m.in. wyznaczenie symetrii grzbieto‑brzusznej. Dalsze badania wykazały, że plan budowy osobnika muszki owocówki zostaje zdeterminowany już w stadium blastodermy, pierwszego dnia rozwoju! Odpowiedzialna jest za to aktywacja genów wyznaczających pozycję i organizację określonych segmentów ciała. Mutacje w obrębie tych genów zmieniały przydatki charakterystyczne dla danego segmentu ciała na przydatki innego segmentu (np. odnóża na czułki).

R11Vz8CLC6AnM1

Ilustracja przedstawia muszkę owocówkę, której części ciała zaznaczono różnymi kolorami. Pod owadem kolory ciała muchy odpowiadają prostokątom z kolorami genów. Geny homeotyczne kompleksu ANT-C i BX-C i odpowiadające im segmenty ciała muszki owocówki. Do genów ANT-C możemy zaliczyć geny lab odpowiadające ssawce oraz pb odpowiadające przedniej części głowy. Oprócz tego wyróżniamy geny Dfd odpowiadające tylnej części głowy, Scr odpowiadające przedniej parze odnóży oraz Antp odpowiadające drugiej parze odnóży. Do genów kompleksu BX-C zaliczamy gen Ubx odpowiadający ostatniej parze odnóży, Abd-A odpowiadający tułowiu oraz Abd-B odpowiadający odwłokowi. — Geny homeotyczne kompleksu ANT-C i BX-C i odpowiadające im segmenty ciała muszki owocówki (*Drosophila melanogaster*).
Źródło: PhiLiP, Wikipedia Commons, domena publiczna.

Analiza różnych genów homeotycznych muszki owocówki wykazała, że zawierają one wysoce homologiczną sekwencję, obejmującą ok. 180 nukleotydów. Sekwencja ta została nazwana homeoboksem (ang. homeobox)homeobokshomeoboksem (ang. homeobox). Jest ona bardzo konserwatywna ewolucyjnie (czyli jej sekwencja nie ulega dużym zmianom w ciągu ewolucji gatunkowej). Sekwencja homeoboksu koduje część cząsteczki białka (homeodomenę), która bezpośrednio łączy się ze wzmacniaczami regulowanych genów.

bg‑blue

Homeoboks

Czy u innych organizmów również pojawia się sekwencja homeoboksu?

Zdecydowanie tak. Analizy genetyczne potwierdziły występowanie homeoboksu zarówno u roślin, jak i u innych zwierząt bezkręgowych i kręgowych. U człowieka zidentyfikowano ok. 30 genów zawierających tę sekwencję i objęto je wspólną nazwą genów Hox. Są one podzielone na 4 grupy jako kompleksy Hox, umieszczone na różnych chromosomach. Analiza ich sekwencji wykazuje dużą homologię z genami muszki owocówki, zwłaszcza fragment kodujący 12 aminokwasów tworzących homeodomenę. Bardzo istotna jest również kolejność ułożenia genów i lokalizacja ich aktywności wzdłuż osi ciała (geny zlokalizowane bliżej końca 5’ DNA odpowiadają za powstawanie struktur tylnych części ciała).

Co dały nam badania nad muszką owocówką?

Niezwykle istotna jest wysoka konserwatywność sekwencji homeoboksuhomeobokshomeoboksu oraz jej bardzo mała podatność na mutacje, za co odpowiadają bardzo duże zdolności regulacyjne i naprawcze genów homeotycznych. Okazało się, że u ssaków bardzo rzadko występują mutanty homeotyczne! Dlatego też trudno było zlokalizować geny homeotyczne tradycyjnymi metodami (analiza porównawcza genomu mutantów z genomem prawidłowego osobnika). Dopiero identyfikacja sekwencji homeoboksu u muszki owocówki pozwoliła znaleźć tę sekwencję również w genomie innych zwierząt.

Czy geny HOX kodują ściśle określone struktury?

Część genów homeotycznychgeny homeotycznegenów homeotycznych jest bardzo konserwatywna ewolucyjnie i wspólna dla odległych taksonomicznie organizmów (np. kręgowców, nicieni, pijawek czy lancetnika). Obecnie zidentyfikowano pięć takich genów, których ekspresja zachodzi według ściśle określonej, tej samej kolejności u wszystkich tych organizmów. Geny odpowiedzialne za powstawanie głowy kręgowców są również istotne w tworzeniu przednich części ciała zwierząt, u których głowa nie została wyodrębniona. Podobne zjawisko obserwuje się w przypadku pozostałych części ciała. Naukowcy wysunęli wniosek, że geny Hox kontrolują wyznaczanie pozycji poszczególnych grup komórek w trakcie rozwoju embrionalnego, natomiast nie muszą kodować wytworzenia ściśle określonej struktury.

Czy geny HOX miały wpływ na ewolucję?

W trakcie ewolucji dochodziło do duplikacji poszczególnych genów, w tym również kompleksu Hox (zwłaszcza u kręgowców). Dzięki zwielokrotnieniu tych genów możliwa była komplikacja budowy kręgowców i tworzenie coraz bardziej wyspecjalizowanych struktur. Wyraźny efekt ewolucyjny genów Hox widać w trakcie rozwoju embrionalnego różnych zwierząt. Analiza pewnych okresów tego stadium wykazuje wysoki stopień podobieństwa, zwłaszcza w przypadku zwierząt należących do tego samego typu. U kręgowców jest to stadium pączka ogonowego. W tym okresie wszystkie zarodki kręgowców wykazują wyraźne podobieństwo budowy, związane właśnie z działalnością genów homeotycznych.

bg‑blue

Podsumowanie

Występowanie genów homeotycznychgeny homeotycznegenów homeotycznych jest wspólną cechą wszystkich zwierząt.
Produkty tych genów nazywamy czynnikami transkrypcyjnymiczynniki transkrypcyjneczynnikami transkrypcyjnymi, mają one istotny wpływ na regulację aktywności innych genów.
Geny homeotyczne, a zwłaszcza sekwencja homeoboksuhomeobokshomeoboksu, są bardzo konserwatywne ewolucyjnie i wspólne dla wielu zwierząt, zwłaszcza należących do jednego typu.
Aktywność genów homeotycznychgeny homeotycznegenów homeotycznych jest podobna, kieruje rozwojem zarodkowym w odległych od siebie gałęziach ewolucyjnych świata zwierzęcego.

Słownik

czynniki transkrypcyjne

białka regulujące aktywność genów na etapie inicjacji transkrypcji; wiążą się z określoną sekwencją DNA, zlokalizowaną w pobliżu miejsca rozpoczęcia transkrypcji; określenie stosowane głównie w odniesieniu do eukariontów, gdzie czynniki transkrypcyjne stanowią podstawowe elementy regulacji aktywności genów

geny homeotyczne

geny warunkujące wytworzenie prawidłowej struktury ciała wszystkich zwierząt, kierujące rozwojem zarodkowym; produktem tych genów są czynniki transkrypcyjne, których działalność polega na aktywacji lub blokowaniu innych genów

homeoboks

(ang. homeobox) sekwencja w obrębie genów homeotycznych, bardzo konserwatywna ewolucyjnie; w wyniku jej ekspresji powstaje część białka zwana homeodomeną, która bezpośrednio łączy się ze wzmacniaczami regulowanych genów

Wprowadzenie

Grafika interaktywna

Geny homeotyczne

Muszki owocówki

Homeoboks

Podsumowanie

Słownik