Hox geny u obojživelníků a plazů - Hox genes in amphibians and reptiles
| Část série na |
| Genetika |
|---|
 |
Geny Hox hrají u některých obojživelníků a plazů obrovskou roli vjejich schopnosti regenerovat ztracené končetiny, zejména geny HoxA a HoxD.
Pokud lze procesy spojené s tvorbou nové tkáně zpětně upravit na člověka, je možné po chirurgickém zákroku vyléčit poranění míchy nebo mozku, opravit poškozené orgány a omezit jizvy a fibrózy . Navzdory velké ochraně genů Hox prostřednictvím evoluce nemohou savci a lidé konkrétně regenerovat žádnou ze svých končetin. To vyvolává otázku, proč lidé, kteří mají také analogie s těmito geny, nemohou znovu narůst a regenerovat končetiny. Kromě nedostatku specifického růstového faktoru studie ukázaly, že něco tak malého, jako jsou rozdíly v páru bází mezi analogy obojživelníků a lidí Hox, hraje zásadní roli v lidské neschopnosti reprodukovat končetiny. Nediferencované kmenové buňky a schopnost mít polaritu v tkáních jsou pro tento proces životně důležité.
Přehled
_(21260217591).jpg)
Někteří obojživelníci a plazi mají schopnost regenerovat končetiny, oči, míchy, srdce, střeva a horní a dolní čelist. Japonský oheň břicho Mlok může regenerovat do hledáčku objektivu 18x po dobu 16 let a udržet jeho strukturní a funkční vlastnosti. Tyto buňky v místě poranění mají schopnost un rozlišit rychle množit, a znovu rozlišit k vytvoření nové končetiny nebo orgánu.
Geny Hox jsou skupinou příbuzných genů, které řídí tělesný plán embrya podél osy hlava-ocas. Jsou zodpovědné za diferenciaci tělesných segmentů a vyjadřují uspořádání mnoha tělesných složek během počátečního embryonálního vývoje. Tyto soubory genů jsou primárně využívány během vývoje tělesných plánů kódováním transkripčních faktorů, které spouští produkci struktur specifických pro segment těla. Navíc ve většině zvířat jsou tyto geny rozloženy podél chromozomu podobně jako v pořadí, ve kterém jsou exprimovány podél přední a zadní osy.
Varianty genů Hox se nacházejí téměř v každém kmeni s výjimkou houby, která používá jiný typ vývojových genů. Homologie těchto genů je pro vědce důležitým zájmem, protože mohou obsahovat více odpovědí na vývoj mnoha druhů . Ve skutečnosti tyto geny prokazují tak vysoký stupeň homologie, že by varianta lidského genu Hox - HOXB4 - mohla napodobovat funkci jeho homologu v ovocné mušce ( Drosophila ). Studie naznačují, že regulace a další cílové geny u různých druhů jsou ve skutečnosti tím, co způsobuje tak velký rozdíl ve fenotypových rozdílech mezi druhy.
Geny Hox obsahují sekvenci DNA známou jako homeobox, které se podílejí na regulaci vzorců anatomického vývoje. Obsahují specifickou sekvenci DNA s cílem poskytnout pokyny k výrobě řetězce 60 proteinových stavebních bloků - aminokyselin - které se označují jako homeodoména . Většina proteinů obsahujících homeodoménu funguje jako transkripční faktory a zásadně váže a reguluje aktivitu různých genů. Homeodoména je segment proteinu, který se váže na přesné regulační oblasti cílových genů. Geny v rodině homeoboxů se podílejí na celé řadě významných aktivit během růstu. Tyto činnosti zahrnují směrování vývoje končetin a orgánů podél předozadní osy a regulaci procesu, ve kterém buňky dozrávají k plnění specifických funkcí, což je proces známý jako buněčná diferenciace . Některé geny homeoboxu mohou působit jako supresory nádorů , což znamená, že pomáhají zabránit růstu a dělení buněk příliš rychle nebo nekontrolovaně.
Vzhledem k tomu, že geny homeoboxu mají tolik důležitých funkcí, jsou mutace těchto genů zodpovědné za celou řadu vývojových poruch. Změny v určitých genech homeoboxu často vedou k poruchám očí, způsobují abnormální vývoj hlavy, obličeje a zubů. Zvýšená nebo snížená aktivita určitých genů homeoboxu je navíc v pozdějším věku spojena s několika formami rakoviny .
Vývoj končetin
Geny Hox v zásadě přispívají ke specifikaci tří hlavních složek vývoje končetin , včetně stylopoda, zeugopoda a autopoda. Některé mutace v genech Hox mohou potenciálně vést k proximálním a/nebo distálním ztrátám spolu s různými abnormalitami. Byly vytvořeny tři různé modely pro nastínění vzorování těchto oblastí. Zóna polarizační aktivity (ZPA) v končetině zárodku má aktivitu vzor-organizovat prostřednictvím využití jednoho morfogen gradientu proteinu zvaného Sonic hedgehog (Shh). Sonický ježek se zapíná v zadní oblasti prostřednictvím časné exprese genů HoxD spolu s expresí Hoxb8. Shh je udržován v zadní části prostřednictvím zpětnovazební smyčky mezi ZPA a AER. Shh štěpí transkripční represorový komplex Ci/Gli3, aby převedl transkripční faktor Gli3 na aktivátor, který aktivuje transkripci genů HoxD podél přední/zadní osy. Je zřejmé, že různé geny Hox jsou rozhodující pro správný vývoj končetin u různých obojživelníků.
Výzkumníci provedli studii zaměřenou na geny Hox-9 až Hox-13 u různých druhů žab a jiných obojživelníků. Podobně jako u starodávné skupiny tetrapodů s různými typy končetin je důležité poznamenat, že pro pochopení původu a diverzifikace končetin u různých suchozemských obratlovců jsou zapotřebí obojživelníci. Studie PCR ( polymerázová řetězová reakce ) byla provedena u dvou druhů každého obojživelníka za účelem identifikace Hox-9 až Hox-13. Bylo identifikováno patnáct odlišných zadních genů Hox a jeden retro-pseudogen a první z nich potvrzuje existenci čtyř klastrů Hox v každém řádu obojživelníků. Některé geny, u nichž se předpokládá výskyt ve všech tetrapodech, založené na zadním Hoxově komplementu savců, ryb a coelacanthu, nebyly získány. HoxD-12 chybí u žab a případně dalších obojživelníků. Podle definice je autopodium distální segment končetiny zahrnující ruku nebo nohu. Vzhledem k funkci Hox-12 při vývoji autopodia může ztráta tohoto genu souviset s absencí pátého prstu u žab a mloků.
Klastry Hox
Jak již bylo zmíněno dříve, geny Hox kódují transkripční faktory, které regulují embryonální a post-embryonální vývojové procesy. Exprese genů Hox je částečně regulována těsným prostorovým uspořádáním konzervovaných kódujících a nekódujících oblastí DNA. Potenciál evolučních změn ve složení klastru Hox je u obratlovců považován za malý. Na druhou stranu nedávné studie na malém počtu taxonů, které nejsou savci, navrhují větší odlišnost, než se původně předpokládalo. Dále bylo analyzováno generační sekvenování značných genomových fragmentů větších než 100 kilobází z východního čolka ( Notophthalmus viridescens ). Následně bylo zjištěno, že složení klastrových genů Hox bylo konzervováno vzhledem k ortologickým oblastem z jiných obratlovců. Dále bylo zjištěno, že délka intronů a intergenních oblastí se lišila. Zejména je vzdálenost mezi HoxD13 a HoxD11 v mlocích delší než v ortologických oblastech od druhů obratlovců s rozšířenými klastry Hox a předpovídá se, že přesáhne délku celých klastrů HoxD (HoxD13 – HoxD4) lidí, myší a žab. Bylo rozpoznáno mnoho opakujících se sekvencí DNA pro klastry Mloka Hoxe, počítající obohacení sekvencí podobných DNA transpozonům podobných nekódujícím genomovým fragmentům. Vědci zjistili, že výsledky naznačují, že expanze klastrů Hox a akumulace transpozonů jsou společnými rysy obratlovců jiných než savčích tetrapodů.
Po ztrátě končetiny se buňky spojí a vytvoří shluk známý jako blastema . To se povrchně jeví jako nediferencované, ale buňky, které vznikly v kůži, se později vyvinou do nové kůže, svalové buňky do nových svalů a buňky chrupavky do nové chrupavky. Jsou to pouze buňky těsně pod povrchem kůže, které jsou pluripotentní a schopné vyvinout se do jakéhokoli typu buňky. Ve srovnání s jinými druhy obratlovců vykazují genomové oblasti Salamander Hox prvky zachování a rozmanitosti. Zatímco struktura a organizace genů kódujících Hox je zachována, mlokové klastry Hox vykazují variace v délkách intronů a intergenních oblastí a oblast HoxD13–11 přesahuje délky ortologických segmentů i mezi druhy obratlovců s rozšířenými klastry Hox. Výzkumníci navrhli, že expanze HoxD13–11 předcházela amplifikaci velikosti genomu bazálního mloka , ke které došlo přibližně před 191 miliony lety, protože se zachovala ve všech třech existujících skupinách obojživelníků. Doplňkové ověření podporuje návrh, aby klastry Hox byly v souladu se strukturní evolucí a že variace jsou přítomny v délkách intronů a intergenních oblastí, relativně vysokém počtu opakujících se sekvencí a náhodných akumulacích transpozonů DNA u mloků a ještěrek . Výzkumníci zjistili, že nerandomatické narůstání transpozonů podobných DNA by mohlo změnit vývojové kódování generováním sekvenčních motivů pro kontrolu transkripce .
Závěrem lze říci, že dostupná data z několika ne-savčích tetrapodů naznačují, že strukturální flexibilita Hox je pravidlem, nikoli výjimkou. Předpokládá se, že tato elasticita může umožnit vývojové variace napříč taxony, které nejsou savci. To samozřejmě platí jak pro embryogenezi, tak pro redeployci genů Hox během post-embryonálních vývojových procesů, jako je metamorfóza a regenerace.
Přechodová pole
Dalším jevem, který existuje na zvířecích modelech, je přítomnost gradientových polí v raném vývoji. Přesněji řečeno, toto bylo ukázáno na vodním obojživelníkovi: mlok . Tato „gradientová pole“, jak jsou známá ve vývojové biologii , mají schopnost tvořit příslušné tkáně , které jsou navrženy tak, aby se vytvořily, když jsou buňky z jiných částí embrya zavedeny nebo transplantovány do specifických polí. První zpráva o tom byla v roce 1934. Původně nebyl specifický mechanismus tohoto docela bizarního jevu znám, nicméně se ukázalo, že za tímto procesem převládají geny Hox. Přesněji řečeno, koncept nyní známý jako polarita byl implementován jako jeden - ale ne jediný - z mechanismů, které jsou hybnou silou tohoto vývoje.
Studie provedené Oliverem a kolegy v roce 1988 ukázaly, že podél předozadního mezodermu různých vyvíjejících se zvířecích modelů byly přítomny různé koncentrace antigenu XIHbox 1 . Jeden závěr, že tato různá koncentrace exprese proteinu ve skutečnosti způsobuje diferenciaci mezi různými tkáněmi a může být jedním z viníků těchto takzvaných „gradientových polí“. Zatímco proteinové produkty genů Hox jsou silně zapojeny do těchto polí a diferenciace u obojživelníků a plazů, existují další faktory příčinné souvislosti. Například, kyselina retinová a další růstové faktory, bylo prokázáno, že hrají roli v těchto gradientních polí.