3. Гены сегментации. Гомеозисные гены растений

Гомеозисные гены

После сегментации и установления ориентации сегментов активируются так называемые геомеозисные гены. Различные их наборы активируются специфическими соотношениями концентраций белков, упоминавшихся выше.

Продукты гомеозисных генов активируют другие гены, которые определяют сегмент-специфичные особенности. Глаза в норме возникают только на головном сегменте, а ноги – только на грудных сегментах.

Гомеозисные гены кодируют регуляторные белки, связывающиеся с ДНК. Каждый из них содержит кластер нуклеотидов, называемый гомеобоксом, которые сходен во всех гомеотических генах. Он содержит 180 нуклеотидов и кодирует 60 аминокислот, функционирующих как ДНК-связывающий домен.

У дрозофилы имеется два основных кластера гомеотических генов: комплекс Antennapedia (5 генов у дрозофилы) который определяет развитие головы и передних торакальных сегментов, и комплексBithorax (3 гена) который контролирует развитие задних торакальных и брюшных сегментов. Порядок расположения генов тот же, что и сегментов, в которых они экспрессируются.

Впервые мутации гомеозисных генов были идентифицированы в 1894 году, когда Уильям Бэтсон заметил, что у растений иногда части цветка появляются на неправильных местах. Гомеозисные гены как бы определяют адрес клетки в конкретном сегменте, сообщая клеткам, в каком районе они находятся. Когда они мутируют, клетки получают "ложный адрес" и ведут себя так, будто они находятся в другом месте эмбриона

Нарушения в работе гомеозисных генов (вызванные мутациями или внешними воздействиями) нарушают формирование структур тела и могут привести, например, к образованию глаз на лапках у мухи, или к тому, что вместо антенн на голову у нее вырастут ноги (как это показано на рисунке). У человека найдены мутации в гомеозисных генах, приводящие к недоразвитию зубов, например, и к другим, более тяжелым нарушениям.

После того, как были открыты и изучены геомео-гены дрозофилы, сходные гены были найдены у всех других животных от нематоды до человека. У млекопитающих они называются Hox генами (гомеобокс-содержащими генами) и также кодируют белки, регулирующие транскрипции и определяющие структуры тела и их положение в передне-заднем направлении.

Таким образом, в эмбриональном развитии исходный градиент белков и мРНК в яйцеклетке стимулирует локальную экспрессию генов эмбриона, которая ведет дальнейшей дифференциации генной экспрессии и определяет судьбу клеток развивающегося эмбриона. Процесс, в котором формируются конечности, ткани и органы, называется морфогенезом, и определяется последовательностью переключения экспрессии групп генов, однако эти гены пока не столь детально изучены.

В процессе эмбриогенеза осуществление записанной в генах программы развития происходит в конкретных условиях среды. Взаимодействие генов и среды можно описать на следующей модели. Эмбриональное развитие можно сравнить с шариком, катящимся по наклонной поверхности с разными желобками. Такое представление эмбрионального развития, названное эпигенетическим ландшафтом, был предложен Кондратом Уоддингтоном.

Самый глубокий желобок (соответствующий наиболее вероятному пути) определяет нормальное развитие организма. Но у основного желобка есть много разветвлений, менее глубоких, соответствующих патологии, аномальному развитию организма, по ним шарик покатится с меньшей долей вероятности. Мутации меняют соотношение вероятностей разных путей (на рисунке – меняется глубина желобков), и увеличивают вероятность развития по "неправильному" патологическому пути. Однако в части случаев воздействие среды (лечение) может скомпенсировать дефект и вернуть организм на нормальный путь развития. Например, фенилкетонурия – наследственная болезнь, которую можно лечить. Суть болезни заключается в том, что у больных отсутствует фермент фенилаланингидроксилаза, превращающий аминокислоту фенилаланин в другую аминокислоту, тирозин. При блокировании нормальных путей катаболизма фенилаланина его превращение идет другими путями, обычно играющими второстепенную роль. Фенилаланин превращается в кетокислоту фенилпируват (фенилпировиноградная кислота) и другие продукты. Избыточные количества фенилпирувата легко определить по анализу мочи, и такой анализ проводится всем новорожденным в нашей стране. Одним из симптомов этой болезни является развитие умственной отсталости, которое во взрослом состоянии уже необратимо. Лечить болезнь можно в детстве специальной диетой, при которой в организме не из чего будет вырабатывать пировиноградную кислоту. Частота заболевания около 1:10 000 новорожденных, и чем раньше начато лечение – тем лучше результаты. Именно поэтому проводится тотальная диагностика новорожденных. Интересно то, что если ребенок перестает придерживаться лечебной диеты, то болезнь опять станет прогрессировать. Поэтому диету надо соблюдать до остановки физиологического роста, примерно до 20 лет, когда токсичное воздействие будет менее опасным. Больные фенилкетонурией при беременности обязательно должны соблюдать диету, так как иначе плод будет отравлен из-за нарушения обмена веществ у матери.

Таким образом, при лечении, то есть полезном воздействии внешней среды, можно вернуть развитие организма в нормальное русло. Но действие окружающей среды может быть и вредным, то есть у организма под действием внешней среды возникают отклонения развития при совершенно нормальных генах. Для примера рассмотрим один случай. В 60-х годах в Германии было сильно разрекламировано новое снотворное под названием талидомид. Среди принимавших новое лекарство были беременные женщины. Спустя некоторое время было замечено, что в стране стало рождаться много детей с патологией конечностей. У них отсутствовали длинные кости конечностей, то есть прямо от основания тела начинались кисти или ступни.

Раньше такое заболевание встречалась один раз на несколько тысяч новорожденных, и вдруг такой всплеск. Начали проводиться исследования, и выяснилось, что причина в новом лекарстве. Как оказалось, талидомид имеет большое сродство к гуанину. Взаимодействуя с ДНК, он может приводить к функциональным нарушениям. Промотор гена, отвечающего за рост и развитие длинных конечностей, содержит большое количество гуанина, таким образом, талидомид нарушает работу этих генов, и зачатки костей длинных конечностей так и не начинают развиваться. Многие из этих детей не выжили, часть из тех, кто выжил, ведут жизнь инвалидов, но есть среди них люди, которые, несмотря на инвалидность, реализовали свои возможности.

После талидомидной трагедии все новые лекарства проверяют на тератогенную (вызывающую нарушения развития плода) активность, и для каждого препарата указано, можно ли его принимать беременным. Однако следует учитывать, что во время беременности, особенно на ранних этапах, женщина не должна принимать лекарства, не посоветовавшись с врачом, из-за возможных вредных воздействий на плод.

В настоящее время уровень тяжелых врожденных уродств составляет 1-2%, из них около трети по генетическим причинам, около трети – из-за воздействий среды, и для трети причина неизвестна. Подбирая условия среды, соответствующие индивидуальным особенностям организма, можно скомпенсировать часть врожденных дефектов.

Взаимодействие генов и среды в процессе индивидуального развития можно сравнить с игрой в карты: хороший игрок может выиграть и с плохими картами.

studfiles.net

Гомеозисные гены — WiKi

Гомеозисные гены — гены, определяющие процессы роста и дифференцировки в организме. Гомеозисные гены кодируют транскрипционные факторы, контролирующие программы формирования органов и тканей[1].

Мутации в гомеозисных генах могут вызвать превращение одной части тела в другую. Гомеозисными мутантами называются такие организмы, у которых на месте органа развивается орган другого типа. Например, у дрозофилы при мутации antennapedia формируется конечность на месте антенны.

Гомеозисные гены контролируют работу других генов и определяют превращение внешне неразличимых участков зародыша или определённого органа (ткани, участка тела). В частности, гомеозисные гены контролируют появление различий сегментов многоклеточных животных в раннем эмбриональном развитии. У насекомых гомеозисные гены играют ключевую роль в определении особенностей строения эмбриональных сегментов и структур на них (ноги, антенны, крылья, глаза).

Гомеозисные гены животных относятся к семейству Hox-генов. Однако не все гены этого семейства являются гомеозисными. Так, у дрозофилы к Hox-генам комплекса Antennapedia относятся гены zerknullt, zerknullt2, bicoid и fushi tarazu, которые не являются гомеозисными.[2]

Есть ещё семейство ParaHox генов. В геноме человека имеется шесть генов ParaHox (GSX1, GSX2, PDX1, CDX1, CDX2, CDX4), из которых три гена (GSX1, PDX1 (=IPF1), CDX2) образуют кластер ParaHox генов на хромосоме 13[3]

У растительных организмов также известны процессы, которые контролируются гомеозисными генами: филлотаксис, развитие цветков и соцветий.

Гомеобокс

Гомеозисные гены содержат гомеобокс — последовательность из 180 пар нуклеотидов ДНК, образующую в кодируемом белке гомеодомен.

Гомеодомен впервые был обнаружен в составе генов, контролирующих развитие, и, в частности, в составе гомеозисных генов, у дрозофилы. Однако многие гены, содержащие гомеобокс, не являются гомеозисными. Таким образом, гомеобокс — это особая последовательность нуклеотидов, в то время как гомеозисность — это потенциальная возможность образования гомеозисной мутации.[4]

Последовательность нуклеотидов в гомеодомене высоко консервативна. Функциональная равнозначность гомеозисных белков может быть доказана тем фактом, что развитие мухи с соответствующими гомеозисными генами курицы протекает нормально.[5] Несмотря на то, что общий предок курицы и мухи существовал около 670 миллионов лет назад,[6] гомеозисные гены куриц сходны с аналогичными генами мух до такой степени, что могут заменить друг друга.

Из-за вырожденности генетического кода последовательность остатков аминокислот в составе белков более консервативна, чем последовательность нуклеотидов в ДНК, так как одну аминокислоту могут кодировать разные кодоны. Единственная мутация в ДНК гомеозисных генов может привести к поразительным изменениям организма (см. гомеозисные мутации).

Гомеодомен

Белковые продукты гомеозисных генов принадлежат к особому классу белков — транскрипционным факторам, которые связываются с ДНК и регулируют транскрипцию генов. Последовательность гомеобокса состоит из 60 остатков аминокислот и образует структуру спираль-поворот-спираль, известную как гомеодомен. У дрозофилы белковый продукт гомеозисного гена Antennapedia активирует гены, которые определяют структуру второго грудного сегмента, содержащего ноги и крылья, и репрессирует гены, вовлеченные в формирование глаз и антенн.[7] Гены, которые регулируются белками, содержащими гомеобокс, называют реализаторными генами, и они являются белковыми продуктами генов полярности сегментов, которые кодируют ткане- и органо-специфичные белки.

Энхансерные последовательности, которые связываются гомеодоменом

Последовательность ДНК, с которой связывается гомеодомен, содержит последовательность нуклеотидов TAAT на 5' конце, причем T наиболее важна для связывания.[8] Данная последовательность нуклеотидов консервативна практически во всех сайтах связывания гомеодомена. Так как многие белки, содержащие гомеодомен, имеют одинаковые сайты узнавания, пары оснований, следующие за этой инициаторной последовательностью, используются для того, чтобы различать эти белки. Например, последовательность нуклеотидов после TAAT распознается девятой аминокислотой белка, содержащего гомеодомен. Белок, кодируемый геном с материнским эффектом, Bicoid, содержит остаток лизина в данном положении, который служит для узнавания и связывания гуанина. В белке Antennapedia в данном положении находится глутамин, который распознает аденин и связывается с ним. Если остаток лизина в белке Bicoid заменить на глутамин, измененный белок будет распознавать Antennapedia-специфичные энхансерные сайты.[9][10]

Hox-гены

Hox-гены располагаются на одной или нескольких (до четырёх) хромосомах, обычно тесными группами (кластерами), внутри которых сохраняется более или менее строгий порядок: «головные» гены впереди, «хвостовые» — сзади. У более примитивных представителей многоклеточных, таких как гребневики (Ctenophora) и кишечнополостные (Cnidaria), этих эмбриональных регуляторных генов только четыре, у млекопитающих их уже 48.

Семейство Hox-генов подразделяется на 14 классов. Считается, что эти 14 классов возникали путём дупликации одного или немногих исходных генов, реплики затем мутировали и обретали новые функции. У примитивных кишечнополостных и гребневиков имеется всего 4 класса Hox-генов, у предполагаемого общего предка двустороннесимметричных животных их должно было быть по крайней мере 8, у млекопитающих присутствуют все 14 классов. Принцип работы этих генов одинаков. Их продукты являются транскрипционными факторами, функция которых состоит во «включении» или «выключении» других генов. В результате работы Hox-факторов запускается каскад реакций, приводящий к появлению в клетке нужных белков.

За последнее десятилетие расшифрованы ДНК-последовательности Hox-генов у многих групп животных: аннелид, плоских червей, иглокожих, нематод, членистоногих, оболочников, ланцетников, не говоря уже о млекопитающих.

Регуляция

Гомеозисные гены регулируют работу реализаторных генов, и, в свою очередь, регулируются генами gap и pair-rule, которые находятся под контролем белков-морфогенов ряда генов с материнским эффектом. В результате этого образуется каскад транскрипционных факторов: гены материнского эффекта включают гены gap и pair-rule; гены gap и pair-rule включают гомеозисные гены; наконец, гомеозисные гены включают реализаторные гены, которые приводят к сегментации и дифференцировке зародыша.

Такая регуляция осуществляется градиентами концентрации белков-морфогенов. Высокая концентрация одного из материнских белков и низкая — других включает определенный набор генов gap и pair-rule. У мух вторая полоска экспрессии гена Even-skipped эмбриона активируется материнскими белками Bicoid и Hunchback и репрессируется белками gap Giant и Kruppel. [11].

Молекулы микроРНК в hox-кластерах сильнее ингибируют передние гомеозисные гены, вероятно, для более точной регуляции их экспрессии.[12]

В кластерах гомеозисных генов широко распространены некодирующие РНК (ncRNA). Один из генов некодирующих РНК у человека, HOTAIR, снижает уровень транскрипции гомеозисных генов (транскрибируется с кластера HOXC и ингибирует поздние HOXD гены), связываясь с белками группы Polycomb (PRC2).[13]

Структура хроматина необходима для транскрипции, но также требуется выпетливание хромосомных территорий, на которых располагается кластер.[14]Количественная ПЦР показала некоторые закономерности коллинеарности: система находится в равновесии и общее количество транскриптов зависит от количества генов, представленных в линейной последовательности.[15]

Гомеозисные мутации

Ошибки экспрессии гомеозисных генов приводят к крупным изменениям в морфологии индивида. Гомеозисные мутации впервые были описаны в 1894 году Уильямом Бэтсоном, который описал появление тычинок на месте лепестков.

В конце 1940-х годов на модельном объекте Drosophila melanogaster Эдвард Льюис изучал гомеозисные мутации, которые приводили к формированию причудливых органов. Мутации в генах, участвующих в развитии конечности, могут приводить к уродствам или даже к смерти. Например, мутации в гене Antennapedia приводят к образованию конечностей на голове мухи на месте антенн.[16]

Другим известным примером у дрозофилы является мутация в гомеозисном гене Ultrabithorax, который определяет развитие третьего грудного сегмента. Обычно на данном сегменте представлена пара ног и пара жужжалец (редуцированных крыльев). У мутантных особей, которые не имеют функционального белка Ultrabithorax, на третьем сегменте образуются такие же структуры, как на втором грудном сегменте, который несёт пару конечностей и пару полностью развитых крыльев. Такие мутанты иногда встречаются в диких популяциях дрозофил, и изучение таких мутантов привело к открытию гомеозисных генов животных.

Коллинеарность

Структура кластера

Гомеозисные гены в хромосомах у многих животных располагаются очень близко друг к другу, образуя при этом кластеры. При этом у дрозофилы наблюдается коллинеарность — последовательность расположения генов на хромосоме соответствует последовательности их экспрессии вдоль передне-задней оси тела.

Классификация

В различных таксонах гомеозисным генам были даны разные названия, что привело к путанице в номенклатуре. В случае некоторых первичноротых (Ecdysozoa — членистоногих, нематод) гомеозисные гены составляют два кластера Antennapedia и Bithorax, которые вместе называют HOM-C (Гомеозисный комплекс, Homeotic Complex). В случае вторичноротых (иглокожих, хордовых) гомеозисные гены называют Hox-генами и выделяют четыре кластера: Hoxa, Hoxb, Hoxc и Hoxd. У первичноротых гомезисные гены также часто называют Hox-генами, хотя это и не вполне верно.

Филогения гомеозисных генов

У Ecdysozoa существует около десяти гомеозисных генов. Позвоночные имеют четыре набора паралогов этих десяти генов Hoxa, Hoxb, Hoxc, и Hoxd. Эти кластеры паралогов образовались в результате двух дупликаций геномов позвоночных.[17]

Обе дупликации произошли после того, как от общего ствола с позвоночными отделились предки ланцетников и оболочников, и до того, как разделились эволюционные линии млекопитающих и хрящевых рыб. Вероятнее всего, первая дупликация произошла незадолго до разделения линий бесчелюстных и челюстноротых, а второе — вскоре после этого (разделение этих линий, вероятно, произошло около 530 млн лет назад).[18]

Хотя гомеозисные гены позвоночных являются копиями генов Ecdysozoa, эти копии не идентичны. В результате накопления мутаций в течение длительного промежутка времени, белки выполняют различные функции. У разных групп позвоночных некоторые гены утрачены или дуплицированы.

Hoxa и Hoxd определяют развитие конечности. Экспрессия Hox в конечности имеет две стадии — на первой развивается собственно конечность, на более поздней работают Hoxd 8 — 13 и образуются пальцы, при этом задействована отдельная регуляторная область на 5’ конце гена Hoxd 13, который не встречается у Teleostei.[19]

История

На важное значение мутаций в гомеозисных генах для развития теории наследственности впервые указал автор этого термина Уильям Бэтсон в 1894 году. В 1920-е годы изучением гомеозисных мутаций (в том числе на дрозофиле) занималась ученица С. С. Четверикова Е. И. Балкашина. Балкашина описала мутацию aristopedia у дрозофилы и установила параллелизм явлений гомеозиса при регенерации и при мутировании гомеозисных генов, а также картировала три известных в то время гомеозисных гена дрозофилы.

Эдвард Льюис в 1948 году начал систематическое изучение гомеозисных генов, управляющих развитием имагинальных дисковличинки в органы имаго. Льюис обнаружил коллинеарность в пространстве между порядком расположения генов комплекса bithorax в хромосоме и порядком расположения имагинальных дисков (сегментов), за развитие которых они отвечают, вдоль передне-задней оси тела.

Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус классифицировали 15 генов, определяющих строение тела и образование сегментов у Drosophila melanogaster. Исследователи получили Нобелевскую премию по медицине в 1995 году.

Испанские ученые в январе 2013 года провели эксперимент по внедрению в генотип рыбы Данио-рерио гена hoxd13, отвечающего за развитие конечностей для передвижения по суше, заимствованного у мышей. Подобный ген есть и у самих рыб, но не проявляет достаточной активности для развития лап. В результате эксперимента, рыбы вместо плавников получили зачатки конечностей, которые могли бы обеспечить передвижение по земле.[20]

Экспрессия генов, регулирующих развитие растений находится под контролем внутренними и внешними факторами. К внутренним факторам, влияющим на их активность, относят гормоны, сахарозу и некоторые минеральные элементы, к внешним — температура и свет. В регуляции процессов дифференцировки и развития важная роль принадлежит генам, которые содержат промоторы, чувствительные и специфичные к фитогормонам и к таким факторам внешней среды, как свет и температура. В составе промоторов очень многих генов, активность которых регулируется фитогормонами, выявлены транскрипционные элементы, определяющие гормональную специфичность ростовых реакций растений.

В настоящее время идентифицированы ключевые гены, которые контролируют эмбриогенез, старение и фотоморфогенез, регулируют функционирование апикальных, латеральных и флоральных меристем, отвечают за формирование корня, листьев и сосудов. Наиболее хорошо изучена экспрессия генов, регулирующих развитие цветков. На основе имеющейся в настоящее время генетической информации, математического аппарата и компьютерных программ стало возможным построение так называемых генетических регуляторных сетей, которые позволяют оценить весь спектр взаимодействий между различными регуляторными генами в процессе дифференцировки клеток и формирования органов растения. Отдельные элементы этих сетей способны на разных этапах развития контролировать несколько процессов. Поэтому мутации, затрагивающие разные участки одного регуляторного гена, могут отличаться своим фенотипическим проявлением.

У высших растений наиболее хорошо изучено функционирование двух типов генов-регуляторов развития: гомеобокссодержащих и генов с MADS-боксом.

Гены, содержащие гомеобокс

Гены, содержащие гомеобокс, определяются по наличию характерной последовательности ДНК из приблизительно 180 пар нуклеотидов (гомеобокса), кодирующей гомеодомен — консервативный участок ряда транскрипционных факторов. Эта нуклеотидная последовательность типична для генов каскадного типа регуляции развития.

Первым клонированным геном растений, кодирующим гомеодоменсодержащий белок, был KNOTTED1 (KN1) кукурузы. Мутация knotted 1 приводит к тому, что ген KN1 начинает экспрессироваться в несоответствующее время и не в том месте. У мутантов kn1 вокруг уже дифференцированных клеток листа появляются группы клеток, которые ещё продолжают делиться. Группы делящихся клеток, расположенные вдоль сосудистых элементов по всей листовой пластинке, образуют так называемые узлы (knots). Позднее было обнаружено целое семейство генов, подобных KN1, названное KNOX (KNOTTED1-like HOMEOBOX). Сверхэкспрессия генов семейства KNOX также искажает развитие листа.

Среди KNOX-генов растений наиболее детально исследована большая группа, участвующая в регуляции деятельности апкальной меристемы побегов и в развитии листьев: KN1 и RS1 у кукурузы, KNAT1, KNAT2 и STM у Arabidopsis thaliana, HvKNOX3 у ячменя и OSh2 у риса. Гены KN1, STM и их функциональные аналоги отвечают за поддержание деления клеток меристем, репрессируя их дальнейшую дифференцировку. Эти гены экспрессируются в апикальных меристемах побегов, а также во флоральных меристемах.

Гены, содержащие MADS-бокс

Термин «MADS-бокс» образован начальными буквами четырёх генов: MCM1 дрожжей, AG арабидопсиса, DEF львиного зева и SRF млекопитающих. К генам, содержащим MADS-бокс, относятся, в частности, AG (AGAMOUS), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) и AP3 (APETALA3), TFL1 (TERMINAL FLOWER), PI (PISTILLATA). Гены этого типа регулируют флоригенез и определяют судьбу клеток в семяпочке; их экспрессия выявлена в зародыше, корнях и листьях. К MADS-бокс-генам относится большинство гомеозисных генов растений, в частности гены идентичности органов цветка. Предполагается, что возникновение новых органов в процессе прогрессивной эволюции растений, например семяпочек и семян, сопровождалось появлением новых подсемейств именно MADS-бокс-генов.

Факторы транскрипции

Непосредственный контроль за развитием органов и тканей растения осуществляется транскрипционными факторами (ТФ) — белками, которые после перемещения в ядро клетки регулируют транскрипцию, специфически взаимодействуя с ДНК либо с другими белками, которые могут образовывать комплекс белок-ДНК.

ru-wiki.org

3. Гены сегментации

В реализации плана строения организма ключевое значение имеет его сегментация, разделение на головной, грудной, брюшной отделы и их производные.

Этот процесс является универсальным в животном мире и характеризуется двумя основными признаками — количеством сегментов и их качеством. Соответственно различают две группы генов, ответственных за развитие этих признаков: сегрегационные и гомеозисные.

Сегрегационных генов, определяющих число сегментов у плодовой мушки дрозофилы, известно более двух десятков, их мутации вызывают нарушения в развитии передне-задней полярности сегментов, в результате чего происходит их слияние, уменьшение количества и образование нежизнеспособных уродов. За открытие и изучение этих генов американский генетик Эдвард Льюис и немецкие генетики Кристина Нюссляйн-Вольхардт и Эрик Вишхаус были удостоены Нобелевской премии.

Различают несколько групп сегрегационных генов. Это гены «материнского эффекта», которые контролируют формирование градиентов в ходе развития (о них шла речь выше), gap гены, pair-rule гены, гены сегментарной полярности, последовательно осуществляющие сегментацию зародыша и подготавливающие почву для функционирования гомеозисных генов. Следует особо отметить, что гены сегментации начинают функционировать в тот период, когда морфологически и следов-то сегментации нет, задолго до того, как сегментация морфологически оформится, т. е. они также работают с опережением, «на будущее».

Сегрегационные гены последовательно активируются в процессе индивидуального развития (рис. 4). В первую очередь активируются так называемые gap гены (от англ. gap — разрыв, щель). Их функция — синтез матричной РНК — стимулируется продуктами генов материнского эффекта, формирующими градиенты в ходе созревания яйцеклетки.

В результате данного процесса зародыш подразделяется на несколько пространственных отделов со своей химической спецификой. На фоне специфического распределения продуктов gap генов, под влиянием этих продуктов активируются pair-rule гены, которые «дробят» зародыш на еще более мелкие повторяющиеся части (рис. 5).

Рисунок 4 - Схема взаимодействия генов сегментации у дрозофилы [1]

Все сегрегационные гены, последовательно активируемые в ходе развития эмбриона дрозофилы, взаимодействуют друг с другом и оказывают друг на друга взаимные влияния через кодируемые ими продукты. Активация сегрегационных генов подготавливает «почву» для функционирования ключевой системы генов, обеспечивающих качественную спецификацию сегментов, — системы гомеозисных генов.

Рисунок 5 - Последовательное проявление генов сегментации. Различным образом заштрихованные полоски отражают последовательную гетерогенизацию развивающегося эмбриона дрозофилы [1]

4. Гомеозисные гены, их роль в развитии

Название этой группы генов происходит от термина «гомеозис», который ввел в 1894 г. один из классиков генетики Уильям Бэтсон. Под гомеозисом он понимал превращение одной части тела в другую. Гомеозисные гены, следовательно, не представляют собой нечто самостоятельное, но являются частью специфической системы генов, контролирующих сегментацию тела насекомых, в частности, дрозофилы, и других организмов. Примером гомеозисных мутаций является превращение антенны или аристы дрозофилы в ногу (рис. 6).

Рисунок 6 - Пример гомеозисной мутации. Превращение осязательного органа дрозофилы — аристы (слева) в ногу (справа) [1]

Весьма курьезный случай отмечен в хирургической практике: на голове пациента вырос половой член, который хирургам пришлось удалять, и который при гистологическом анализе обнаружил наличие всех свойственных нормальному половому члену структур. Возможно, это был вариант гомеозисной мутации у человека.

Гомеозисные гены, которых у дрозофилы описано около полусотни, как уже отмечалось, контролируют качественные особенности сегментов и в свою очередь подразделяются на два комплекса: Antennapedia-Complex (ANT-C) и Bithorax-Complex (ВХ-С).

Гены, принадлежащие к ANT-C, контролируют развитие головных сегментов, при утрате функции гена Antp грудные сегменты приобретают свойства головных сегментов, что проявляется в образовании головных структур в грудной области. Таким образом, от определенных генов зависит выбор программы развития, определяется путь, по которому клетка будет «двигаться» дальше, во что превращаться — в кожную, в нервную, в головную или брюшную клетку.

Гены комплекса ВХ-С ответственны за развитие грудных и брюшных сегментов. Рассмотрим действие гомеозисных генов на примере ВХ-С комплекса (рисунок 7).

Рисунок 7 - Схема генетической регуляции процесса сегментации тела дрозофилы. В сегменте Т2 активен ген, мутация которого вызывает превращение Т3 в Т2. В каждом последующем сегменте активируется дополнительный ген. В последнем, 8-м сегменте работают все гены. От набора работающих генов зависят свойства сегментов [1]

Этот комплекс состоит из трех «отделов», которые называются: Ultrabithorax (Ubx), ответственный за развитие грудных сегментов (Т1-Т3), а также Abdomen-A и Abdomen-B, контролирующие дифференцировку брюшных сегментов (А1-А8). Все они построены и функционируют по единому принципу.

Так, например, гены, входящие в состав области Ubx, характеризуются двумя основными особенностями. Во-первых, они собраны в единый блок, так называемый кластер в небольшом участке 3-й хромосомы. В этот кластер входит пять генов, последовательно контролирующих развитие того или иного сегмента. Инактивация каждого такого гена вызывает превращение соответствующего сегмента в «двойника» впереди лежащего сегмента. Вторая особенность — коллинеарность в расположении генов и контролируемых ими признаков. Она заключается в том, что положение генов в комплексе ВХ-С соответствует последовательности контролируемых ими органов.

studfiles.net

Лекция - Гомеозисные гены - Биология

У дрозофилы имеется два основных кластера гомеотических генов: комплекс Antennapedia (5 генов у дрозофилы) который определяет развитие головы и передних торакальных сегментов, и комплекс Bithorax (3 гена) который контролирует развитие задних торакальных и брюшных сегментов. Порядок расположения генов тот же, что и сегментов, в которых они экспрессируются.

Впервые мутации гомеозисных генов были идентифицированы в 1894 году, когда Уильям Бэтсон заметил, что у растений иногда части цветка появляются на неправильных местах. Гомеозисные гены как бы определяют адрес клетки в конкретном сегменте, сообщая клеткам, в каком районе они находятся. Когда они мутируют, клетки получают «ложный адрес» и ведут себя так, будто они находятся в другом месте эмбриона

Самый глубокий желобок (соответствующий наиболее вероятному пути) определяет нормальное развитие организма. Но у основного желобка есть много разветвлений, менее глубоких, соответствующих патологии, аномальному развитию организма, по ним шарик покатится с меньшей долей вероятности. Мутации меняют соотношение вероятностей разных путей (на рисунке – меняется глубина желобков), и увеличивают вероятность развития по «неправильному» патологическому пути. Однако в части случаев воздействие среды (лечение) может скомпенсировать дефект и вернуть организм на нормальный путь развития. Например, фенилкетонурия – наследственная болезнь, которую можно лечить. Суть болезни заключается в том, что у больных отсутствует фермент фенилаланингидроксилаза, превращающий аминокислоту фенилаланин в другую аминокислоту, тирозин. При блокировании нормальных путей катаболизма фенилаланина его превращение идет другими путями, обычно играющими второстепенную роль. Фенилаланин превращается в кетокислоту фенилпируват (фенилпировиноградная кислота) и другие продукты. Избыточные количества фенилпирувата легко определить по анализу мочи, и такой анализ проводится всем новорожденным в нашей стране. Одним из симптомов этой болезни является развитие умственной отсталости, которое во взрослом состоянии уже необратимо. Лечить болезнь можно в детстве специальной диетой, при которой в организме не из чего будет вырабатывать пировиноградную кислоту. Частота заболевания около 1:10 000 новорожденных, и чем раньше начато лечение – тем лучше результаты. Именно поэтому проводится тотальная диагностика новорожденных. Интересно то, что если ребенок перестает придерживаться лечебной диеты, то болезнь опять станет прогрессировать. Поэтому диету надо соблюдать до остановки физиологического роста, примерно до 20 лет, когда токсичное воздействие будет менее опасным. Больные фенилкетонурией при беременности обязательно должны соблюдать диету, так как иначе плод будет отравлен из-за нарушения обмена веществ у матери.

www.ronl.ru

Гомеозисные гены

Содержание

1 У животных
- 1.1 Гомеобокс
- 1.2 Гомеодомен
  - 1.2.1 Энхансерные последовательности, которые связываются гомеодоменом
- 1.3 Hox-гены
- 1.4 Гомеозисные мутации
- 1.5 Коллинеарность
- 1.6 Классификация
- 1.7 Филогения гомеозисных генов
- 1.8 История
2 У растений
- 2.1 Гены, содержащие гомеобокс
- 2.2 Гены, содержащие MADS-бокс
- 2.3 Факторы транскрипции
3 См. также
4 Литература
5 Примечания