Hox гены

Материал из BrainstormWiki
Перейти к: навигация, поиск
Строители часто делают разметку этажей, чтобы крановщик знал, на какой этаж поднимать груз. Такую же разметку обеспечивают HOX гены, чтобы мигрирующие клетки знали, где им размещаться

Где голова, а где хвост? Откуда клетки "знают", куда им мигрировать или куда прорастать аксону нейрона? Давно известно, что клетки прорастают в направлении определенных химических сигнелов - хемотаксис. Но откуда изначально симметричный во все стороны эмбрион (первые клетки-бластомеры кучкуются в виде шарика) "знает" где голова, где хвост, где должны быть руки и ноги? Как выясняется, существует эмбриональная разметка. Зародышевые клетки в будущей "голове" и в будущем "хвосте" экспрессируют разные гены. И это служит молекулярным сигналом того, как устроена схема тела. Механизм устроен на серии особых генов, которые называют Hox гены.

Это не единственные такие гены - транскрипционные факторы, и не единственный механизм разметки. Например, самое базовый уровень задается, по видимому, ретиноевой кислотой - она же витамин А. По мере приближения к голове ее концентрация возрастает. Это изменение концентрации - градиент, в свою очередь служит основой для экспрессии Hox генов.

Гены схемы тела

желто-зеленый Hox белок (вместе с синим ко-фактором Exd) "сидит" на ДНК.

Hox гены кодируют схему тела.

Любого тела. Этот механизм не найден лишь у губок и простейших, и по всей видимости, у растений аналогичная система есть, но другая. Губки и простейшие  — схемы тела не имеют. А все остальные животные (включая насекомых и морских звезд) — все используют фактически одну систему специфических Hox-генов — они все имеют ДНК "мотив" который называется homeobox. Белки с таким мотивом умеют "усаживаться" на ДНК. И таким образом регулировать экспрессию других генов. Это транскрипционные факторы. Но этого мало. Одиночный Hox ген не мог бы ничего размечать. Их уникальность  — в том, что они кодируют ось организма группой — см. ниже "Колинеарность"


Эта система невероятно древняя — мы говорим о периоде ДО кембрийкского взрыва. Древнее сейчас нет ничего.

Общие свойства Hox генов

Колинеарность и кластеры. Или кластеры колинеарности

Типичная картинка, но довольно верная. Обратите внимание, что в конечностях у человека "растут" гомологи hox-генов брюшка мухи. Про это в этой статье ниже

Hox генов много; главное их удивительное свойство — семейство Hox генов размещаются на одной хромосоме, и вдоль оси зародыша они экспрессируются в той же последовательности, в какой они расположены на хромосоме, где 3' конец соответствует голове, а 5' — хвосту. Это свойство называется Colinearity. Фактически кластер Hox генов (каждый из которых производит свой белок, как обычный ген) работает как единое целое. Это метаген. Совершенно удивительная система. Механизм этого эффекта до сих пор толком не понят (говорят "эпигенетика", но так говорят именно в подобных случаях, когда непонятно)

У человека (как и у всех млекопитающих) — четыре таких семейства на хромосомах 7, 17, 12 и 2. Их называют "кластеры"- Hox-A, Hox-B, Hox-C, Hox-D. Не все позиции (их 13) присутствуют в каждом кластере, некоторые "пропущены", но общая схема сохраняется.

У других животных другое количество кластеров (часто один), и немного разное количество позиций — но сами гены настолько сохранны, что Hox гены мышей могут работать у рыб или даже у насекомых; такое вторжение не приведет к тому, что дрозофила отрастит "человеческий" глаз - она умеет делать только глаз мухи. Но сообщение "здесь должен быть глаз" одинаково и у мышей и у мух. Это действительно универсальный код, на котором описывается схема тела.

Ещё несколько важных подробностей. Конечности добавляют немного "хитростей". У всех тетраподов 5' гены, 10-11-13 используются и вдоль оси конечностей. Подробнее про это ниже. Также разметка Hox генами нервной системы отличается от разметки тела — про это важно помнить при изучении эмбриогенеза нервно-мышечного взаимодействия. Мезодерм (из которого развиваются мышцы) "остаёт" от эктодерма, в котором развивается нервная система. (в эндодерме все еще запутанней)

Ectomesoderm.png


Понятная картинка из Lappin et al: HOX GENES: Seductive Science, Mysterious Mechanisms 2006
Posterior prevalence из Arendt:Hox genes and body segmentation. Science 2018

О родственных генах, гомеобоксе и гомеодомене

HOX гены - не единственные гены, которые обладают так называемым homeobox (гомеобокс)- фрагментом ДНК последовательности, кодирующим часть белка (называется homeodomain), который распознает особые места в ДНК и "усаживается" на них (иногда с помощью белков-помощников, см.TALE binding site на картинке справа или синий белок ко-фактор на картинке выше).

Семейство homeobox генов огромно (все они транскрипционные факторы). Они есть вообще у всех многоклеточных, включая растения. Но только HOX гены собираются в колинеарные кластеры. Только они "задают ось". У человека их 39. Эта статья - лишь о них.

Само слово homeobox произошло от термина homeotic transformations - "перестановки подобия" - от греческого ὁμοούσιος (тоже слово, за которое на первом Вселенском соборе в Никее дрались с Арианской ересью, спор из-за одной буквы, ὁμοούσιος vs ὁμοιούσιος)

Заднеe доминирование

Механизм, который обеспечивает колинеарность экспрессии Hox генов толком не понят до сих пор. По крайней мере в мезодерме они "включаются" не только в том же пространственном порядке, как и расположены на ДНК, но и в таком же временном порядке. Это свойство назвали temporal colinearity - временная колинеарность. Иногда используют романтический термин "hox clock".

Во время роста тела в мезодерме зародыша образуются сомиты - зародышевые сегменты. Они образуются от головы к хвосту, как бы отделяясь от задней точки роста. Ровно одновременно с этим процессом "включаются" и соответствующие Hox гены. Возможно, именно Hox гены образуют "ритм" генерации сомитов - см. иллюстрацию. Прорастание мезодермы совпадает с временным порядком "temporal colinearity". Возможно, именно тут работает какой-то эпигенетический механизм, который последовательно "включает" Hox гены.

Однако на той же иллюстрации видна важная подробность: "включаясь", Hox гены более не выключаются. Поэтому в хвостовой зоне одновременно активны много Hox генов. И здесь проявляется важное свойство: работает только ген с наибольшим номером. Это подтверждают многочисленные эксперименты с пересадкой Hox генов - они дают эффект только если задний ген пересадить вперед. Таким образом, у дрозофилы можно вырастить ногу на голове вместо антенны, но нельзя вырастить антенну вместо ноги.

Scott 1992 Соответствие новой общепринятой номенклатуры Hox генов и старой для мышей и людей

Это свойство называют posterior prevalence или posterior dominance. Заднее доминирование. По всей видимости, большинство картинок с hox генами рисуют с учетом этого эффекта - изображают только зону влияния гена, там, где его не подавил более задний. Эти картинки, с четкими границами hox-генов, все же условны - в реальности в каждом сегменте активны гены-паралоги из четырех кластеров Hox генов, и в целом правильнее говорить о том, что комбинация активных в сегменте генов образует "hox-код" этого сегмента.

Механизм заднего доминирования не связан с ДНК - задний ген подавляет передний даже если из него удалить гомеодомен - см. работу Williams et al. Эффект работает на взаимодействии белков с белками.

Старая и новая номенклатура HOX генов

Эффект от HOX генов открыли еще "дрозофилисты" в лаборатории Моргана, описывая "антеннопедию" - когда у дрозофил на месте антенн на голове ноги вырастают. Их аналоги у человека и мышей открыли в 80е, и поначалу их организация и общее количество (38 в четырех кластерах) было непонятно, что привело к не самой удобной классификации, в порядке открытия генов, причем разной для мышей и человека.

В 1992 году была принята действующая ныне классификация, в которой четыре кластера обозначаются A, B, C и D и номера генов упорядочены по расположению на хромосоме (и по экспрессии вдоль оси), и совмещены между кластерами - паралоги имеют одинаковый номер.

Это очень удобно. Но чтобы читать и понимать старые статьи (часто опубликованные даже много позже 1992г), нужно знать соответствие. На картинке справа оно приведено.

  • Scott. Vertebrate homeobox gene nomenclature 1992 Официальное объявление о принятии современной номенклатуры, по результатам конференции открывателей Hox генов и согласования всевозможными комитетами

Hox гены в действии: строим схему тела

Hox гены в нервной системе

Spinal cord1.jpg
Spinal cord2.jpg

Нервная система вырастает из эктодерма, поэтому повторюсь, что пространственные зоны Hox генов тут отличаются от мезодерма.

Самый передний паралог Hox генов, с номером 1, работает не выше заднего мозга. Hox гены размечают задний мозг на ромбомеры, но в сегментации переднего мозга и коры они уже участия не принимают.

Зато в спинном мозге именно ими определяется расположение колонок мотонейронов и других органов спинного мозга.

Все иллюстрации в этой секции из работы

Осевой скелет

Ann Burke, Tabin et al: Hox genes and the evolution of vertebrate axial morphology 1995 Иллюстрация модифицирована. Простые цифры 1-5-12 - это номера сомитов. С1 и Т1-номера позвонков

Картинка слева изображает очень условную схему "разметки" осевого скелета млекопитающих. Она неплохо исследована на мышах — для каждого из Hox генов выводили knock-out мутанта, и смотрели, что там происходит в плане нарушений развития скелета.

Поэтому, можно примерно говорить о том, что Hox10 "останавливает" развитие ребер — в зоне его действия ребра не растут. Hox6 и его соседи влияют на формирование передних конечностей, а Hox10 +11 — тазовых костей.

Повторюсь, это условная, упрощенная картина — на протяжении оси действуют hox гены четырех кластеров, и их комбинация создает уникальный "hox код" — но разбор этих кодов кажется, сделает эту статью решительно бесконечной

На картинке справа изображена сравнительная схема формирования оси у разных видов позвоночных — на ней можно увидеть работу Hox генов для кодирования разных схем тела.

Кружочками обозначены сомиты. Заштрихованы сомиты, в которых работает ген HoxC-6 (у нас и у птиц). Он один из генов, определяющих зону передней конечности - лапы у мыши, крыла у курицы, и переднего плавника у рыб. Черные черты — места выхода нервов плечевого сплетения, чертой так же отмечена зона формирования конечности

Дополнительно я отметил соотвествтующие номерам сомитов уровни позвонков - С1 и Т1 (у кур 13 шейных позвонков, а не 7, как у нас с мышами). У рыб это частично уровень заднего мозга. Видно, что вне зависимости от произведенного количества сомитов и позвонков, конечность строится от зоны Hox6.




.

Конечности: там своя hox-ось

Hox gene limb.png

У первых позвоночных была лишь одна ось. От головы к хвосту. Но наши конечности тоже размечаются Hox генами - причем теми же самыми. Два из четырех кластеров Hox генов, в своей 5' части (с 9го по 13), используются для построения оси конечностей. Hox гены строят не одну, а пять осей!

Конечности тетраподов развились в эволюции из парных плавников рыб. Сами по себе передние - грудные, pectroral и задние - брюшные, pelvic плавники — довольно разные, и передние появились в эволюции раньше. Но где-то в ранней эволюции рыб (задолго до их выхода на сушу), согласно Fin Fold гипотезе, случилось два (разных) события, которые чрезвычайно "пригодились" для создания конечностей.

  • Во-первых, парные плавники "скопировали" комплект мотонейронов - они отделены от аксиальных. См. Эволюция мотонейронов конечностей.
  • Во-вторых, в какой-то другой момент Hox гены, работающие в задних парных плавниках (которые более-менее "на месте") оказались скопированы в передние. Hox-код и тех и других оказался одинаковым. И мы все (и все тетраподы) - наследники этого копирования

Fishhox.jpg

В результате то, что тетраподы выращивают после подвеса — создается по одной и той же "программе". Там последовательно формируются звенья, которые называют стилоподий (плечо/бедро), зейгоподий (предплечье/голень) и автоподий (кисть/стопа). Автоподий "изобрели" тетраподы, а вот зейгоподий был уже у рыб. Эта ось кодируется той же самой серией Hox генов, с 10 по 13:

  • 10 экспрессируется в зоне стилоподия, и там растет одна кость
  • 11 - зейгоподия, и кость "ветвится" в две, в промежутке формируется сустав
  • 12 задает запястье/предплюсну
  • 13 пальцы

Та же самая схема колинеарности. На основе эволюционно и структурно разных систем подвеса вырастают довольно похожие конечности (Hox-схема тела у них практически одинаковая) , но поверх этого формируется и более поздняя схема различий — понятно, что у птиц крылья отличаются от ног.

Но в целом схема конечностей у всех тетраподов удивительно сохранна.

Чуть подробнее про взаимоотношение аксиального hox-кода, который у нас одинаков с рыбами и аппендикулярного (кода конечностей) "изобретенного" тетраподами, с рядом дополнительных сигнальных каскадов генов по Young&Hallgrimsson

Hoxlimbcode.png

И еще одна иллюстрация, к чему привела Hox-ось в конечностях - сравниваем руку с плавниками рыб

Limbaxis.jpg

из Lalonde&Akimenko: Contributions of 5’HoxA/D regulation to actinodin evolution and the fin-to-limb transition 2018