V Hox geni so velike družine genov, ki so odgovorni za urejanje razvoja telesnih struktur. Najdemo jih v vseh metazojih in v drugih rodovih, kot so rastline in živali. Zato je zanje značilno, da so evolucijsko zelo ohranjeni.
Ti geni delujejo na naslednji način: kodirajo transkripcijski faktor - protein, ki je sposoben interakcije z DNK -, ki se izrazi na določenem območju posameznika od najzgodnejših razvojnih faz. To zaporedje vezave DNA imenujemo homeobox.
Vir: Antonio Quesada Díaz, prek Wikimedia Commons
S skoraj 30-letnimi raziskavami na tem področju so znanstveniki preučevali različne rodove in ugotovili, da so vzorci izražanja teh genov močno povezani z regionalizacijo telesnih osi.
Ti dokazi kažejo, da so geni Hox igrali nepogrešljivo vlogo pri razvoju telesnih načrtov živih bitij, zlasti v Bilateriji. Tako so geni Hox omogočili razlago čudovite raznolikosti živalskih oblik z molekularne perspektive.
V nas ljudeh je 39 Hox genov. Ti so razvrščeni v štiri skupine ali skupine, ki se nahajajo na različnih kromosomih: 7p15, 17q21.2, 12q13 in 2q31.
Odkritje
Odkritje genov Hox je bilo mejnik v evolucijski in razvojni biologiji. Ti geni so bili odkriti med 70. in 80. letom prejšnjega stoletja zahvaljujoč opazovanju dveh ključnih mutacij v sadni muhi, drosophila melanogaster.
Ena od mutacij, antenapedia, antene spremeni v noge, medtem ko mutacija bithoraxa povzroči transformacijo haltere (spremenjene strukture, značilne za krilate žuželke) v drug par kril.
Kot je razvidno, imajo Hoxovi geni mutacije, vendar je rezultat tega zelo dramatičen. In tako kot pri Drosophili sprememba vodi do nastanka struktur na napačnih mestih.
Pred odkritjem genov Hox je večina biologov verjela, da morfološko raznolikost podpira raznolikost na ravni DNK. Logično je bilo domnevati, da se morajo očitne razlike, na primer med kitom in kolibri, odražati v genetskem smislu.
S pojavom genov Hox se je to razmišljanje popolnoma obrnilo in se prepustilo novi paradigmi v biologiji: skupni poti genetskega razvoja, ki združuje ontogenijo metazojev.
Kaj so Hox geni?
Preden določimo koncept Hox genov, je nujno vedeti, kaj je gen in kako deluje. Geni so zaporedja DNK, katerih sporočilo je izraženo v fenotipu.
Sporočilo DNK je zapisano v nukleotide, v nekaterih primerih prehajajo v messenger RNA in to ribosomi prevedejo v zaporedje aminokislin - strukturnih "gradnikov" beljakovin.
Hox geni so najbolj znan razred homeotičnih genov, katerih funkcija je nadzor nad določenimi vzorci telesnih struktur. Ti so zadolženi za nadzor identitete segmentov vzdolž anteroposteriorne osi živali.
Spadajo v eno družino genov, ki kodira protein, ki ima določeno zaporedje aminokislin, ki lahko deluje z molekulo DNK.
Od tod izvira izraz homeobox, ki opisuje ta odsek v genu, medtem ko se v beljakovinah imenuje homeodomena. Homeobox zaporedje ima zaporedje 180 baznih parov in te domene so evolucijsko visoko ohranjene med različnimi Phyla.
Zahvaljujoč tej interakciji z DNK so Hox geni sposobni uravnavati transkripcijo drugih genov.
Terminologija
Geni, ki sodelujejo pri teh morfoloških funkcijah, se imenujejo homeotični lokusi. V živalskem kraljestvu so najpomembnejši lokomi HOM (pri nevretenčarjih) in loksov Hox (pri vretenčarjih). Vendar so na splošno znani kot Hox loci.
značilnosti
Geni Hox imajo vrsto zelo svojevrstnih in zanimivih lastnosti. Ti ključni vidiki pomagajo razumeti njegovo delovanje in njegovo potencialno vlogo v evolucijski biologiji.
Ti geni so organizirani v "genske komplekse", kar pomeni, da so na kromosomih tesno skupaj - glede na njihovo prostorsko lego.
Druga značilnost je presenetljiva korelacija, ki obstaja med vrstnim redom genov v zaporedju DNK in anteroposteriorno lokacijo produktov teh genov v zarodku. Dobesedno so geni, ki gredo "naprej", v tem položaju.
Podobno je poleg prostorske kolinearnosti tudi časovna korelacija. Geni, ki se nahajajo na 3 'koncu, se pojavijo prej v razvoju posameznika, v primerjavi s tistimi, ki so jih našli nazaj.
Geni Hox spadajo v razred, imenovan ANTP, kamor spadajo tudi geni ParaHox (povezani s temi), NK geni in drugi.
Evolucija genov
Noben gen razreda ANTP ni bil iz Metazoanov. V evolucijskem razvoju te skupine živali so bili poriferji prva skupina, ki so se ločili, sledili so jim cnidarji. Ti dve vrsti sta dve osnovni skupini dvostranskih.
Genska analiza, ki je bila opravljena na znameniti gobici Amphimedon queenslandica - njena slava je posledica genov za živčni sistem - je razkrila, da ima ta rodovnik več genov tipa NK, vendar nima nobenih genov Hox ali ParaHox.
Pri knidarjih, ki izpolnjujejo prej omenjene značilnosti, o hox genih kot takih niso poročali. Vendar pa obstajajo Hox podobni geni.
Na drugi strani imajo nevretenčarji en sam grozd genov Hox, medtem ko imajo vretenčarji več kopij. To dejstvo je bilo ključno in je spodbudilo razvoj teorij o razvoju skupine.
Izvor vretenčarjev
Klasični pogled na ta vidik trdi, da so štirje genske skupine v človeškem genomu nastale zaradi dveh krogov podvajanja celotnega genoma. Vendar je razvoj novih tehnologij sekvenciranja postavil dvom v teorijo.
Novi dokazi podpirajo hipotezo, povezano z majhnimi dogodki (podvajanje segmenta, posamično podvajanje genov in translokacije), ki so dosegli veliko število Hox genov, ki jih danes opažamo v tej skupini.
Reference
- Acampora, D., D'esposito, M., Faiella, A., Pannese, M., Migliaccio, E., Morelli, F.,… & Boncinelli, E. (1989). Človeška družina genov HOX. Raziskave nukleinskih kislin, 17 (24), 10385-10402.
- Ferner, DE (2011). Geni Hox in ParaHox v evoluciji, razvoju in genomiki. Genomika, proteomika in bioinformatika, 9 (3), 63–4.
- Hrycaj, SM, & Wellik, DM (2016). Hox geni in evolucija. F1000Research, 5, F1000 Fakulteta Rev-859.
- Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A., & Halliday, HL (2006). HOX geni: zapeljiva znanost, skrivnostni mehanizmi. Medicinski časopis Ulster, 75 (1), 23–31.
- Pearson, JC, Lemons, D., & McGinnis, W. (2005). Moduliranje funkcij gena Hox med vzorčenjem telesa živali. Nature Reviews Genetics, 6 (12), 893.