U Hox geni su velika gena obitelji koji su odgovorni za regulaciju razvoja tjelesnih struktura. Nađeni su u svim metazoama i u drugim krajevima, poput biljaka i životinja. Stoga ih karakterizira to što su evolucijski vrlo očuvani.
Ovi geni djeluju na sljedeći način: kodiraju se za faktor transkripcije - protein sposoban za interakciju s DNK - koji se izražava u specifičnom području pojedinca od najranijih stupnjeva razvoja. Taj slijed vezanja DNA naziva se homeobox.
Izvor: Antonio Quesada Díaz, putem Wikimedia Commonsa
S gotovo 30 godina istraživanja na ovom polju, znanstvenici su proučavali različite rodove i zaključili da su obrasci ekspresije ovih gena snažno povezani s regionalizacijom tjelesnih osovina.
Ovaj dokaz sugerira da su Hox geni igrali nezamjenjivu ulogu u evoluciji tjelesnih planova živih bića, posebno u Bilateriji. Dakle, Hox geni omogućili su objašnjenje veličanstvene raznolikosti životinjskih oblika, iz molekularne perspektive.
U nama ljudima postoji 39 Hox gena. Oni su grupirani u četiri nakupine ili skupine, smještene na različitim kromosomima: 7p15, 17q21.2, 12q13 i 2q31.
Otkriće
Otkrivanje Hox gena bilo je prekretnica u evolucijskoj i razvojnoj biologiji. Ovi geni otkriveni su između 70-ih i 80-ih godina zahvaljujući spajanju dvije ključne mutacije u voćnoj mušici, Drosophila melanogaster.
Jedna od mutacija, antenapedija, pretvara antene u noge, dok mutacija bithoraxa uzrokuje transformaciju haltere (modificirane strukture, tipične za krilate insekte) u drugi par krila.
Kao što se može vidjeti, kada Hoxovi geni imaju mutacije, rezultat toga prilično je dramatičan. I kao u Drosophili, promjena dovodi do stvaranja struktura na pogrešnim mjestima.
Prije otkrića Hox gena, većina biologa vjerovala je da je morfološka raznolikost podržana raznolikošću na razini DNK. Logično je pretpostaviti da se očite razlike, na primjer, kita i koprive, moraju odražavati u genetskom smislu.
Pojavom Hox gena ovo je mišljenje potpuno zaokrenulo, ustupivši novu paradigmu u biologiji: zajednički put genetskog razvoja koji objedinjuje ontogeniju metazoja.
Što su Hox geni?
Prije definiranja koncepta Hox gena, bitno je znati što je gen i kako on funkcionira. Geni su DNK sekvence čija je poruka izražena fenotipom.
Poruka DNA napisana je u nukleotidima, u nekim slučajevima ona prelaze u glasnik RNA i to se ribosomima pretvara u niz aminokiselina - strukturni "građevni blok" proteina.
Hox geni najpoznatija su klasa homeotskih gena, čija je funkcija kontroliranje specifičnih obrazaca tjelesnih struktura. Oni su zaduženi za kontrolu identiteta segmenata duž anteroposteriorne osi životinja.
Pripadaju jednoj obitelji gena koja kodira protein koji ima specifičnu sekvencu aminokiselina koja može komunicirati s molekulom DNK.
Otuda dolazi pojam homeobox koji opisuje ovaj odjeljak u genu, dok se u proteinu naziva homeodomain. Homeobox slijed ima niz od 180 baznih parova i ove su domene evolucijski visoko očuvane među različitim Phyla-ima.
Zahvaljujući ovoj interakciji s DNK, Hox geni mogu regulirati transkripciju drugih gena.
Terminologija
Geni koji su uključeni u ove morfološke funkcije nazivaju se homeotski lokusi. U životinjskom carstvu najznačajniji su loci HOM (u beskralježnjaka) i Hox loci (u kralježnjaka). Međutim, općenito su poznati kao Hox loci.
karakteristike
Hox geni imaju niz vrlo osebujnih i zanimljivih karakteristika. Ti ključni aspekti pomažu razumjeti njegovo funkcioniranje i njegovu potencijalnu ulogu u evolucijskoj biologiji.
Ti su geni organizirani u "genske komplekse", što znači da su blisko zajedno na kromosomima - u pogledu njihovog prostornog položaja.
Druga karakteristika je iznenađujuća povezanost koja postoji između redoslijeda gena u DNK sekvenci i anteroposteriornog položaja proizvoda tih gena u embriju. Doslovno geni koji idu "naprijed" nalaze se u tom položaju.
Slično tome, osim prostorne kolinearnosti, postoji i vremenska povezanost. Geni smješteni na kraju 3 pojavljuju se ranije u razvoju jedinke, u usporedbi s onima koji su pronađeni natrag.
Hox geni pripadaju klasi koja se zove ANTP, a koja uključuje i ParaHox gene (povezane s tim), NK gene i druge.
Evolucija gena
Nijedan gen ANTP klase nije bio iz metazoja. U evolucijskom razvoju ove životinjske skupine, poriferi su prva grupa koja se odvojila, a slijedili su je cnidari. Ove dvije loze predstavljaju dvije bazalne skupine bilateralnih.
Genetska analiza provedena na čuvenoj spužvi Amphimedon queenslandica - njezinu slavu zaslužuju geni za živčani sustav - otkrila je da ovaj pornić ima nekoliko gena tipa NK, ali ne i Hox ili ParaHox gena.
Hox geni kao takvi nisu prijavljeni u cnidarima koji zadovoljavaju gore navedene karakteristike. Međutim, postoje geni nalik Hox-u.
S druge strane, beskralježnjaci imaju jedan skup Hox gena, dok kralješnjaci imaju višestruke kopije. Ta je činjenica bila presudna i potaknula razvoj teorija o evoluciji grupe.
Podrijetlo kralježnjaka
Klasično stanovište ovog aspekta tvrdi da su četiri genske skupine u genomu čovjeka nastale zahvaljujući dva kruga replikacije čitavog genoma. Međutim, razvoj novih tehnologija sekvenciranja postavio je sumnju na teoriju.
Novi dokaz favorizira hipotezu vezanu za sitne događaje (umnožavanje segmenata, pojedinačno umnožavanje gena i translokacije) koji su postigli veliki broj Hox gena koje danas promatramo u ovoj skupini.
Reference
- Acampora, D., D'esposito, M., Faiella, A., Pannese, M., Migliaccio, E., Morelli, F.,… & Boncinelli, E. (1989). Ljudska obitelj gena HOX. Istraživanje nukleinskih kiselina, 17 (24), 10385-10402.
- Ferner, DE (2011). Hox i ParaHox geni u evoluciji, razvoju i genomici. Genomika, proteomika i bioinformatika, 9 (3), 63-4.
- Hrycaj, SM, & Wellik, DM (2016). Hox geni i evolucija. F1000Research, 5, F1000 Fakultet Rev-859.
- Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A., & Halliday, HL (2006). HOX geni: zavodljiva znanost, misteriozni mehanizmi. Medicinski časopis Ulster, 75 (1), 23-31.
- Pearson, JC, Lemons, D., i McGinnis, W. (2005). Moduliranje funkcija Hox gena tijekom uzorkovanja tijela životinja. Nature Review Genetics, 6 (12), 893.