Homeobox - Homeobox

Homeodomain
Homeodomain-dna-1ahd.png
Antennapedia homeodoména protein z Drosophila melanogaster vázány s fragmentem DNA . Rozpoznávací šroubovice a nestrukturovaný N-konec jsou vázány v hlavní a vedlejší drážce.
Identifikátory
Symbol Homeodomain
Pfam PF00046
Pfam klan CL0123
InterPro IPR001356
CHYTRÝ SM00389
PROSITE PDOC00027
SCOP2 1ahd / SCOPe / SUPFAM

Homeoboxový je DNA sekvence , o 180 párů bází dlouhá, nalezeno v genech , které se podílejí na regulaci vzorců anatomické vývoje ( morfogeneze ) v zvířat , hub , rostlin , a četné jednobuněčné eukaryot. Geny homeoboxu kódují proteinové produkty homeodomény, které jsou transkripčními faktory sdílejícími charakteristickou strukturu proteinového záhybu, která váže DNA za účelem regulace exprese cílových genů. Proteiny homeodomény regulují genovou expresi a diferenciaci buněk během raného embryonálního vývoje, takže mutace genů homeoboxu mohou způsobit vývojové poruchy.

Homeosis je termín, který vytvořil William Bateson, aby popsal úplnou náhradu diskrétní části těla jinou částí těla, např. Anténapedia - výměna antény na hlavě ovocné mušky s nohama. Předpona „homeo-“ ve slovech „homeobox“ a „homeodomain“ pochází z tohoto mutačního fenotypu , který je pozorován, když jsou některé z těchto genů mutovány u zvířat . Doména homeoboxu byla poprvé identifikována v řadě homeotických a segmentačních proteinů Drosophila , ale nyní je známo, že je dobře konzervována u mnoha dalších zvířat, včetně obratlovců .

Objev

Drosophila s antennapedia mutantní fenotyp vykazují Homeotické transformaci antén do nohy, jako struktury na hlavě.

Existence genů homeoboxu byla poprvé objevena u Drosophily izolací genu odpovědného za homeotickou transformaci, kdy místo očekávaných antén rostou nohy z hlavy. Walter Gehring identifikoval gen zvaný anténapedia, který způsobil tento homeotický fenotyp. Analýza anténapedie odhalila, že tento gen obsahoval sekvenci 180 párů bází, která kódovala doménu vázající DNA, kterou William McGinnis nazval „homeobox“. Existenci dalších genů Drosophila obsahujících sekvenci homeoboxu antennapedia nezávisle nahlásili Ernst Hafen, Michael Levine , William McGinnis a Walter Jakob Gehring z Univerzity v Basileji ve Švýcarsku a Matthew P. Scott a Amy Weiner z Indiana University v Bloomingtonu v roce 1984 Izolace homologních genů Edwardem de Robertisem a Williamem McGinnisem odhalila, že homeobox obsahuje mnoho genů z různých druhů. Následné fylogenetické studie popisující evoluční vztah mezi geny obsahujícími homeobox ukázaly, že tyto geny jsou přítomny u všech bilateriánských zvířat.

Struktura homeodomény

Charakteristický proteinový záhyb homeodomény se skládá z 60- aminokyselinové dlouhé domény složené ze tří alfa šroubovic. Následující text ukazuje konsensuální homeodoménu (~ 60 řetězců aminokyselin): 

            Helix 1          Helix 2         Helix 3/4
         ______________    __________    _________________
RRRKRTAYTRYQLLELEKEFHFNRYLTRRRRIELAHSLNLTERHIKIWFQNRRMKWKKEN
....|....|....|....|....|....|....|....|....|....|....|....|
         10        20        30        40        50        60
Komplex vnd/NK-2 homeodomain-DNA. Helix 3 homeodomény se váže v hlavní drážce DNA a N-koncové rameno se váže v malé drážce, analogicky s jinými komplexy homeodomain-DNA.

Helix 2 a helix 3 tvoří takzvanou strukturu helix-turn-helix (HTH), kde jsou dvě alfa helixy spojeny oblastí krátké smyčky. Tyto N-terminální dva helixy homeodoménou jsou antiparalelní a delší C-koncové šroubovice je v podstatě kolmé k osám stanovených první dva. Je to tato třetí šroubovice, která interaguje přímo s DNA prostřednictvím řady vodíkových vazeb a hydrofobních interakcí, jakož i nepřímých interakcí prostřednictvím molekul vody, ke kterým dochází mezi specifickými postranními řetězci a obnaženými bázemi v hlavní drážce DNA.

Proteiny homeodomény se nacházejí v eukaryotech . Prostřednictvím motivu HTH sdílejí omezenou sekvenční podobnost a strukturální podobnost s prokaryotickými transkripčními faktory, jako jsou například lambda fágové proteiny, které mění expresi genů v prokaryotech . Motiv HTH vykazuje určitou sekvenční podobnost, ale podobnou strukturu v celé řadě proteinů vázajících DNA (např. Cro a represorové proteiny , proteiny domodomény atd.). Jeden z hlavních rozdílů mezi HTH motivy v těchto různých proteinech vyplývá ze stereochemického požadavku na glycin na druhé straně, který je potřebný, aby se zabránilo sterické interferenci beta-uhlíku s hlavním řetězcem: pro cro a represorové proteiny se zdá být glycin povinný vzhledem k tomu, že pro mnoho homeotických a jiných proteinů vázajících DNA je tento požadavek uvolněn.

Specifičnost sekvence

Homeodomény se mohou vázat jak specificky, tak nespecificky na B-DNA s rozpoznávací šroubovicí na C-konci v hlavní drážce DNA a nestrukturovaným „ocasem“ peptidu na zarovnání N-konce v menší drážce. Rozpoznávací šroubovice a smyčky mezi šroubovicemi jsou bohaté na zbytky argininu a lysinu , které tvoří vodíkové vazby s páteří DNA. Konzervované hydrofobní zbytky ve středu rozpoznávací šroubovice pomáhají stabilizovat ucpávku šroubovice. Proteiny homeodomény vykazují preferenci pro sekvenci DNA 5'-TAAT-3 '; k vazbě nezávislé na sekvenci dochází s výrazně nižší afinitou. Specifičnost jednoho proteinu homeodomény obvykle nestačí k rozpoznání specifických promotorů cílového genu, takže vazba kofaktoru je důležitým mechanismem pro kontrolu specificity vazebné sekvence a expresi cílového genu. Aby se dosáhlo vyšší cílové specificity, proteiny homeodomény tvoří komplexy s dalšími transkripčními faktory, aby rozpoznaly promotorovou oblast specifického cílového genu.

Biologická funkce

Proteiny homeodomény fungují jako transkripční faktory díky vazebným vlastnostem DNA konzervovaného motivu HTH. Proteiny homeodomény jsou považovány za hlavní kontrolní geny, což znamená, že jeden protein může regulovat expresi mnoha cílových genů. Proteiny homeodomény řídí tvorbu tělesných os a tělesných struktur během raného embryonálního vývoje . Mnoho proteinů homeodomény indukuje buněčnou diferenciaci zahájením kaskád koordinovaných genů potřebných k produkci jednotlivých tkání a orgánů . Další proteiny v rodině, jako je NANOG, se podílejí na udržování pluripotence a prevenci diferenciace buněk.

Nařízení

Geny Hox a jejich přidružené mikroRNA jsou vysoce konzervativní vývojové hlavní regulátory s přísnou tkáňově specifickou, časoprostorovou kontrolou. O těchto genech je známo, že jsou dysregulované u několika druhů rakoviny a jsou často kontrolovány methylací DNA. Regulace genů Hox je velmi složitá a zahrnuje vzájemné interakce, většinou inhibiční. Je známo, že Drosophila používá komplexy polycomb a trithorax k udržení exprese genů Hox po down-regulaci genů páru a mezery, ke které dochází během vývoje larev. Proteiny ze skupiny polycombových skupin mohou umlčet geny HOX modulací struktury chromatinu .

Mutace

Mutace genů homeoboxu mohou způsobit snadno viditelné fenotypové změny identity segmentu těla, jako jsou mutantní fenotypy Antennapedia a Bithorax u Drosophila . Duplikace genů homeoboxu může vytvořit nové segmenty těla a takové duplikace pravděpodobně byly důležité ve vývoji segmentovaných zvířat.

Vývoj

Samotný homeobox se mohl vyvinout z transmembránové domény, která se neváže na DNA, na C-konci enzymu MraY. To je založeno na metagenomických datech získaných z přechodného archaonu, Lokiarchaeum , který je považován za prokaryot nejblíže předkovi všech eukaryot.

Fylogenetická analýza genových sekvencí homeoboxu a proteinových struktur homeodomény naznačuje, že poslední společný předek rostlin, hub a zvířat měl alespoň dva geny homeoboxu. Molekulární důkazy ukazují, že některé omezený počet Hox genů existovaly v Cnidaria , protože před prvním pravého Bilatera , takže tyto geny pre- paleozoickými . Je přijato, že tři hlavní zvířecí klastry třídy ANTP, Hox, ParaHox a NK (MetaHox), jsou výsledkem segmentálních duplikací. První duplikace vytvořila MetaHox a ProtoHox, z nichž druhá se později duplikovala do Hox a ParaHox. Samotné klastry byly vytvořeny tandemovou duplikací jediného genu homeoboxu třídy ANTP. Duplikace genů následovaná neofunkcionalizací je zodpovědná za mnoho genů homeoboxu nalezených v eukaryotech. Porovnání genů homeoboxu a genových klastrů bylo použito k pochopení vývoje struktury genomu a morfologie těla v rámci metazoanů.

Typy genů homeoboxu

Hox geny

Exprese genu Hox v Drosophila melanogaster .
Hlavní článek: gen Hox

Geny Hox jsou nejčastěji známou podskupinou genů homeoboxu. Jsou to esenciální metazoanové geny, které určují identitu embryonálních oblastí podél předozadní osy. První obratlovců Hox gen byl izolován v Xenopus podle Edward De Robertis a kolegové v roce 1984. Hlavní zájem v tomto souboru genů pramení z jejich jedinečné chování a uspořádání v genomu. Geny Hox se obvykle nacházejí v organizovaném klastru. Lineární pořadí genů Hox v klastru je přímo korelováno s pořadím, které jsou během vývoje vyjádřeny v čase i prostoru. Tento jev se nazývá kolinearita.

Mutace v těchto homeotických genech způsobují posunutí tělních segmentů během embryonálního vývoje. Tomu se říká ektopie . Například když dojde ke ztrátě jednoho genu, segment se vyvine do více předního, zatímco mutace, která vede k získání funkce, způsobí, že se segment vyvine do více zadního. Slavnými příklady jsou Antennapedia a bithorax u Drosophila , které mohou způsobit vývoj nohou místo antén a vývoj duplikovaného hrudníku.

U obratlovců jsou čtyři paralogové shluky částečně nadbytečné ve funkci, ale také získaly několik odvozených funkcí. Například HoxA a HoxD určují identitu segmentu podél osy končetiny . Specifičtí členové rodiny Hoxů se podílejí na vaskulární remodelaci, angiogenezi a onemocnění organizováním změn v degradaci matrice, integrinech a složkách ECM. HoxA5 se podílí na ateroskleróze. HoxD3 a HoxB3 jsou proinvazivní, angiogenní geny, které upregulují integriny b3 a a5 a Efna1 v EC, v daném pořadí. HoxA3 indukuje migraci endoteliálních buněk (EC) upregulací MMP14 a uPAR. Naopak HoxD10 a HoxA5 mají opačný účinek potlačením migrace EC a angiogeneze a stabilizací adherenových spojení upregulací TIMP1/downregulací uPAR a MMP14 a upregulací Tsp2/downregulováním VEGFR2, Efna1, Hif1alfa a COX-2. HoxA5 také upreguluje nádorový supresor p53 a Akt1 downregulací PTEN. Bylo ukázáno, že potlačení HoxA5 oslabuje růst hemangiomu . HoxA5 má dalekosáhlé účinky na genovou expresi, což způsobuje ~ 300 genů, které se po indukci v buněčných liniích rakoviny prsu upregulovaly. Nadměrná doména transdukční domény proteinu HoxA5 zabraňuje zánětu projevenému inhibicí vazby monocytů indukovatelnou TNFalfa na HUVEC.

LIM geny

Hlavní článek: LIM doména

Geny LIM (pojmenované podle počátečních písmen názvů tří proteinů, kde byla charakteristická doména poprvé identifikována) kódují dvě 60 aminokyselinové domény LIM bohaté na cystein a histidin a homeodoménu. Domény LIM fungují v interakcích protein-protein a mohou vázat molekuly zinku. Proteiny domény LIM se nacházejí jak v cytosolu, tak v jádře. Fungují při cytoskeletální remodelaci, v místech fokální adheze, jako lešení pro proteinové komplexy a jako transkripční faktory.

Pax geny

Hlavní článek: Pax geny

Většina genů Pax obsahuje homeobox a spárovanou doménu, která také váže DNA, aby se zvýšila vazebná specificita, ačkoli některé geny Pax ztratily celou nebo část sekvence homeoboxu. Geny Pax fungují v segmentaci embryí , vývoji nervového systému , generování frontálních očních polí , vývoji skeletu a formování obličejových struktur. Pax 6 je hlavní regulátor vývoje oka, takže gen je nezbytný pro vývoj optického váčku a následných očních struktur.

POU geny

Hlavní článek: rodina POU

Proteiny obsahující oblast POU se skládají z homeodomény a oddělené, strukturálně homologní domény POU, která obsahuje dva motivy šroubovice-obrat-šroubovice a také váže DNA. Tyto dvě domény jsou spojeny flexibilní smyčkou, která je dostatečně dlouhá na to, aby se protáhla kolem šroubovice DNA, což umožňuje oběma doménám vázat se na opačných stranách cílové DNA a společně pokrýt segment o osmi základnách s konsensuální sekvencí 5'-ATGCAAAT-3 '. Jednotlivé domény proteinů POU vážou DNA jen slabě, ale po propojení mají silnou sekvenčně specifickou afinitu. Samotná doména POU má významnou strukturální podobnost s represory exprimovanými v bakteriofágech , zejména v lambda fágu .

Rostlinné geny homeoboxu

Jako u zvířat, geny rostlinného homeoboxu kódují typickou 60 aminokyselinovou dlouhou DNA vázající homeodoménu nebo v případě TALE (tři aminokyselinové smyčky rozšíření) homeoboxové geny pro atypickou homeodoménu sestávající ze 63 aminokyselin. Podle jejich konzervované struktury intron – exon a unikátních architektur domén byly seskupeny do 14 odlišných tříd: HD-ZIP I až IV, BEL, KNOX, PLINC, WOX, PHD, DDT, NDX, LD, SAWADEE a PINTOX. Zachování codomains naznačuje společný eukaryotický původ pro homeodoménové proteiny TALE a non-TALE.

Geny lidského homeoboxu

Geny Hox u lidí jsou organizovány do čtyř chromozomálních klastrů:

název chromozóm gen
HOXA (nebo někdy HOX1) - HOXA@ chromozom 7 HOXA1 , HOXA2 , HOXA3 , HOXA4 , HOXA5 , HOXA6 , HOXA7 , HOXA9 , HOXA10 , HOXA11 , HOXA13
HOXB - HOXB@ chromozom 17 HOXB1 , HOXB2 , HOXB3 , HOXB4 , HOXB5 , HOXB6 , HOXB7 , HOXB8 , HOXB9 , HOXB13
HOXC - HOXC@ chromozom 12 HOXC4 , HOXC5 , HOXC6 , HOXC8 , HOXC9 , HOXC10 , HOXC11 , HOXC12 , HOXC13
HOXD - HOXD@ chromozom 2 HOXD1 , HOXD3 , HOXD4 , HOXD8 , HOXD9 , HOXD10 , HOXD11 , HOXD12 , HOXD13

Geny ParaHox se analogicky nacházejí ve čtyřech oblastech. Zahrnují CDX1 , CDX2 , CDX4 ; GSX1 , GSX2 ; a PDX1 . Mezi další geny považované za podobné Hox patří EVX1 , EVX2 ; GBX1 , GBX2 ; MEOX1 , MEOX2 ; a MNX1 . Geny podobné NK (NKL), z nichž některé jsou považovány za „MetaHox“, jsou seskupeny s geny podobnými Hoxu do velké skupiny podobné ANTP.

Lidé mají rodinu „ distal -less homeobox“ : DLX1 , DLX2 , DLX3 , DLX4 , DLX5 a DLX6 . Geny Dlx se podílejí na vývoji nervového systému a končetin. Jsou považovány za podskupinu genů podobných NK.

Geny homeoboxu Human TALE (Three Amino acid Loop Extension) pro „atypickou“ homeodoménu se skládají z 63 spíše než z 60 aminokyselin: IRX1 , IRX2 , IRX3 , IRX4 , IRX5 , IRX6 ; MEIS1 , MEIS2 , MEIS3 ; MKX ; PBX1 , PBX2 , PBX3 , PBX4 ; PKNOX1 , PKNOX2 ; TGIF1 , TGIF2 , TGIF2LX , TGIF2LY .

Kromě toho mají lidé následující geny a proteiny homeoboxu:

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy

Tento článek včlení text z public domain Pfam a InterPro : IPR001356