Geny Hox u płazów i gadów
| Część serii o |
| genetyce |
|---|
 |
Geny Hox odgrywają ogromną rolę u niektórych płazów i gadów w ich zdolności do regeneracji utraconych kończyn, zwłaszcza geny HoxA i HoxD.
Jeśli procesy związane z tworzeniem nowej tkanki mogą zostać poddane inżynierii wstecznej u ludzi, możliwe może być wyleczenie urazów rdzenia kręgowego lub mózgu, naprawa uszkodzonych narządów oraz zmniejszenie blizn i zwłóknień po operacji. Pomimo dużej ochrony genów Hox poprzez ewolucję, ssaki i ludzie w szczególności nie mogą zregenerować żadnej ze swoich kończyn. Rodzi to pytanie, dlaczego ludzie, którzy również posiadają analog do tych genów, nie mogą odrastać i regenerować kończyn. Oprócz braku specyficznego czynnika wzrostu , badania wykazały, że coś tak małego jak para zasad różnice między płazami i ludzkimi analogami Hox odgrywają kluczową rolę w niezdolności człowieka do reprodukcji kończyn. Niezróżnicowane komórki macierzyste i zdolność do posiadania polarności w tkankach są kluczowe dla tego procesu.
Przegląd
Niektóre płazy i gady mają zdolność regeneracji kończyn, oczu, rdzeni kręgowych, serc, jelit oraz górnej i dolnej szczęki. Japońska traszka ognista może regenerować soczewkę oka 18 razy w ciągu 16 lat i zachować swoje właściwości strukturalne i funkcjonalne. Komórki w miejscu urazu mają zdolność do odróżnicowania się , szybkiego rozmnażania i ponownego różnicowania w celu stworzenia nowej kończyny lub narządu .
Geny Hox to grupa pokrewnych genów , które kontrolują plan ciała zarodka wzdłuż osi głowa-ogon. Odpowiadają za różnicowanie segmentów ciała i wyrażają ułożenie wielu elementów ciała podczas początkowego rozwoju embrionalnego. Przede wszystkim te zestawy genów są wykorzystywane podczas opracowywania planów ciała poprzez kodowanie czynników transkrypcyjnych , które wyzwalają produkcję struktur specyficznych dla segmentów ciała. Ponadto u większości zwierząt geny te są ułożone wzdłuż chromosomu podobnie do kolejności, w jakiej są wyrażane wzdłuż osi przednio-tylnej.
Warianty genów Hox można znaleźć prawie w każdym typie , z wyjątkiem gąbki , która wykorzystuje inny typ genów rozwojowych. Homologia tych genów ma duże znaczenie dla naukowców, ponieważ mogą one zawierać więcej odpowiedzi na ewolucję wielu gatunków . W rzeczywistości geny te wykazują tak wysoki stopień homologii, że ludzki wariant genu Hox – HOXB4 – może naśladować funkcję swojego homologu u muszki owocowej ( Drosophila ). Badania sugerują, że regulacja i inne docelowe geny u różnych gatunków są w rzeczywistości tym, co powoduje tak wielką różnicę w fenotypowa między gatunkami.
Geny Hox zawierają sekwencję DNA znaną jako homeobox , która bierze udział w regulacji wzorców rozwoju anatomicznego. Zawierają one specyficzną sekwencję DNA w celu dostarczenia instrukcji tworzenia ciągu 60 bloków budulcowych białka - aminokwasów - określanych jako homeodomena . Większość białek zawierających homeodomenę działa jako czynniki transkrypcyjne i zasadniczo wiąże i reguluje aktywność różnych genów. Homeodomena to segment białka, który wiąże się z precyzyjnymi regionami regulatorowymi docelowych genów. Geny w homeobox jest zaangażowana w wiele różnych znaczących działań podczas wzrostu. Czynności te obejmują kierowanie rozwojem kończyn i narządów wzdłuż osi przednio-tylnej oraz regulację procesu dojrzewania komórek do wykonywania określonych funkcji, procesu znanego jako różnicowanie komórkowe . Niektóre geny homeobox mogą działać supresorowo , co oznacza, że pomagają zapobiegać zbyt szybkiemu lub niekontrolowanemu wzrostowi i podziałowi komórek.
Ze względu na fakt, że geny homeobox pełnią tak wiele ważnych funkcji, mutacje w tych genach są odpowiedzialne za szeroki wachlarz zaburzeń rozwojowych. Zmiany w niektórych genach homeoboksów często skutkują zaburzeniami wzroku, powodują nieprawidłowy rozwój głowy, twarzy i zębów. Ponadto zwiększona lub zmniejszona aktywność niektórych genów homeoboksów została powiązana z kilkoma formami raka w późniejszym życiu.
Rozwój kończyn
Zasadniczo geny Hox przyczyniają się do specyfikacji trzech głównych elementów rozwoju kończyn , w tym stylopoda, zeugopoda i autopoda. Pewne mutacje w genach Hox mogą potencjalnie prowadzić do proksymalnych i/lub dystalnych strat wraz z różnymi nieprawidłowościami. Stworzono trzy różne modele w celu nakreślenia wzorców tych regionów. Strefa aktywności polaryzacyjnej (ZPA) w zarodku kończyny ma aktywność organizowania wzorców poprzez wykorzystanie gradientu morfogenu białka zwanego Sonic hedgehog (Ćśś). Sonic hedgehog jest włączany w tylnym obszarze poprzez wczesną ekspresję genów HoxD wraz z ekspresją Hoxb8. Shh jest utrzymywana w tylnej części przez pętlę sprzężenia zwrotnego między ZPA a AER. Shh rozszczepia kompleks represora transkrypcji Ci/Gli3 w celu przekształcenia czynnika transkrypcyjnego Gli3 w aktywator, który aktywuje transkrypcję genów HoxD wzdłuż osi przedniej/tylnej. Oczywiste jest, że różne geny Hox są kluczowe dla prawidłowego rozwoju kończyn u różnych płazów.
Naukowcy przeprowadzili badanie ukierunkowane na geny Hox-9 do Hox-13 u różnych gatunków żab i innych płazów. Podobnie jak w przypadku starożytnej czworonogów z różnymi typami kończyn, należy zauważyć, że płazy są potrzebne do zrozumienia pochodzenia i zróżnicowania kończyn u różnych kręgowców lądowych. PCR ( reakcja łańcuchowa polimerazy ) przeprowadzono badania na dwóch gatunkach z każdego rzędu płazów, aby zidentyfikować Hox-9 do Hox-13. Zidentyfikowano piętnaście różnych tylnych genów Hox i jeden retro-pseudogen, a te pierwsze potwierdzają istnienie czterech klastrów Hox w każdym rzędzie płazów. Pewnych genów, które, jak się spodziewano, występują u wszystkich czworonogów, na podstawie tylnego dopełniacza Hox ssaków, ryb i coelacanth, nie odzyskano. HoxD-12 nie występuje u żab i prawdopodobnie innych płazów. Z definicji autopodium jest dystalnym odcinkiem kończyny obejmującym dłoń lub stopę. Biorąc pod uwagę funkcję Hox-12 w rozwoju autopodium, utrata tego genu może być związana z brakiem piątego palca u żab i salamandry.
Klastry Hox
Jak wspomniano wcześniej, geny Hox kodują czynniki transkrypcyjne , które regulują embrionalne i postembrionalne procesy rozwojowe. Ekspresja genów Hox jest częściowo regulowana przez ciasne, przestrzenne rozmieszczenie konserwatywnych kodujących i niekodujących regionów DNA. Potencjał zmian ewolucyjnych w składzie klastrów Hox jest uważany za niewielki wśród kręgowców. Z drugiej strony, ostatnie badania niewielkiej liczby taksonów innych niż ssaki wskazują na większą odmienność, niż początkowo sądzono. Następnie sekwencjonowanie generacyjne znacznych fragmentów genomowych większych niż 100 kilozasad z analizie poddano traszkę wschodnią ( Notophthalmus viridescens ). Następnie stwierdzono, że skład genów klastrów Hox był konserwowany w stosunku do regionów ortologicznych innych kręgowców. Ponadto stwierdzono, że długość intronów i regionów międzygenowych urozmaicony. W szczególności odległość między HoxD13 i HoxD11 jest dłuższa u traszek niż w regionach ortologicznych gatunków kręgowców z rozszerzonymi skupiskami Hox i przewiduje się, że przekroczy długość całych skupisk HoxD (HoxD13 – HoxD4) ludzi, myszy i żab. Rozpoznano wiele powtarzających się sekwencji DNA dla klastrów Hox traszki, licząc wzbogacenie sekwencji DNA podobnych do transpozonów, podobnych do niekodujących fragmentów genomowych. Naukowcy stwierdzili, że wyniki sugerują, że ekspansja klastra Hox i transpozonów to wspólne cechy kręgowców czworonogów innych niż ssaki.
Po utracie kończyny komórki łączą się, tworząc grudkę zwaną blastemą . Z pozoru wydaje się to niezróżnicowane, ale komórki, które powstały w skórze, później rozwijają się w nową skórę, komórki mięśniowe w nowe mięśnie, a komórki chrząstki w nową chrząstkę. Tylko komórki znajdujące się tuż pod powierzchnią skóry są pluripotencjalne i zdolne do przekształcenia się w dowolny typ komórek. Salamandra Regiony genomowe Hox wykazują elementy ochrony i różnorodności w porównaniu z innymi gatunkami kręgowców. Podczas gdy struktura i organizacja genów kodujących Hox jest zachowana, klastry Hox traszki wykazują zróżnicowanie długości intronów i regionów międzygenowych , a region HoxD13–11 przekracza długości segmentów ortologicznych nawet wśród gatunków kręgowców z rozszerzonymi klastrami Hox. Naukowcy zasugerowali, że ekspansja HoxD13-11 poprzedzała podstawowy genom salamandry zwiększenie rozmiaru, które miało miejsce około 191 milionów lat temu, ponieważ zachowało się we wszystkich trzech zachowanych grupach płazów. Dodatkowa weryfikacja potwierdza propozycję, że klastry Hox są zgodne z ewolucją strukturalną, a zmienność występuje w długości intronów i regionów międzygenowych, stosunkowo dużej liczbie powtarzających się sekwencji i nielosowych nagromadzeniach transpozonów DNA u traszek i jaszczurek . Naukowcy odkryli, że nieprzypadkowa akrecja transpozonów podobnych do DNA może zmienić kodowanie rozwojowe poprzez generowanie motywów sekwencji do transkrypcji .
Podsumowując, dostępne dane z kilku czworonogów innych niż ssaki sugerują, że elastyczność strukturalna Hox jest regułą, a nie wyjątkiem. Uważa się, że ta elastyczność może pozwolić na zmienność rozwojową między taksonami innymi niż ssaki. Dotyczy to oczywiście zarówno embriogenezy , jak i ponownego rozmieszczenia genów Hox podczas postembrionalnych procesów rozwojowych, takich jak metamorfoza i regeneracja.
Pola gradientu
Innym zjawiskiem występującym w modelach zwierzęcych jest obecność pól gradientowych we wczesnym okresie rozwoju. Dokładniej, wykazano to u płazów wodnych: traszki . Te „pola gradientowe”, jak je nazywamy w biologii rozwojowej , mają zdolność tworzenia odpowiednich tkanek które mają powstać, gdy komórki z innych części zarodka są wprowadzane lub przeszczepiane na określone pola. Pierwsze doniesienia o tym miały miejsce w 1934 roku. Pierwotnie specyficzny mechanizm tego dość dziwacznego zjawiska nie był znany, jednak wykazano, że geny Hox są dominujące w tym procesie. Mówiąc dokładniej, koncepcja znana obecnie jako polaryzacja została wdrożona jako jeden – ale nie jedyny – z mechanizmów napędzających ten rozwój.
Badania przeprowadzone przez Olivera i współpracowników w 1988 roku wykazały, że różne stężenia antygenu XIHbox 1 były obecne wzdłuż przedniej i tylnej mezodermy różnych rozwijających się modeli zwierzęcych. Jeden wniosek, że to zróżnicowane stężenie ekspresji białek faktycznie powoduje zróżnicowanie różnych tkanek i może być jednym z winowajców tych tak zwanych „pola gradientu”. Chociaż produkty białkowe genów Hox są silnie zaangażowane w te dziedziny i różnicowanie u płazów i gadów, w grę wchodzą inne czynniki przyczynowe. Na przykład kwas retinowy i inne czynniki wzrostu wykazano, że odgrywają rolę w tych polach gradientowych.