Hox-гены у амфибий и рептилий - Hox genes in amphibians and reptiles

Пленник аксолотль (Амбистома мексиканская)
Часть серия на
Генетика
Гибридогенез в водных лягушках gametes.svg
 
Ключевые компоненты
История и темы
Исследование
Персонализированная медицина
Персонализированная медицина

Hox-гены играть огромную роль в некоторых амфибии и рептилии в их способности возродить потеряли конечности, особенно гены HoxA и HoxD.[1]

Если процессы, участвующие в формировании новой ткани, можно будет реконструировать в организме человека, возможно, удастся излечить травмы спинной мозг или головного мозга, восстанавливают поврежденные органы и уменьшают рубцы и фиброз после операции.[2][3] Несмотря на значительную сохранность Hox-генов в процессе эволюции, млекопитающие и люди не могут регенерировать ни одну из своих конечностей. Это поднимает вопрос, почему люди, которые также обладают аналогом этих генов, не могут заново отрастать и регенерировать конечности. Помимо отсутствия конкретных фактор роста, исследования показали, что такие мелочи, как базовая пара Различия между аналогами Hox земноводных и человека играют решающую роль в неспособности человека воспроизводить конечности.[4] Недифференцированный стволовые клетки и возможность иметь полярность в ткани жизненно важен для этого процесса.

Обзор

Регенерация определяется уровнем ампутации в области конечностей, а не по отношению к организму в целом. А, Спинной и B, Вентральная, виды на тритон в котором ноги были ампутированы выше бедра, а голени были пересажены на их место и впоследствии ампутированы. C, Рентгенограмма, показывающая, что регенерировались только предплюсна и стопа, то есть структуры дистальнее трансплантата.

Немного амфибии и рептилии иметь возможность возродить конечности, глаза, спинной мозг, сердце, кишечник, а также верхняя и нижняя челюсти. В Японский огненный тритон может регенерировать свой хрусталик 18 раз в течение 16 лет и сохранять свои структурные и функциональные свойства.[5] В клетки на месте травмы есть возможностьразличать, быстро размножаются и снова дифференцируются, чтобы создать новую конечность или орган.

Hox-гены площадь группа родственных генов которые контролируют план тела эмбрион по оси голова-хвост. Они отвечают за дифференциацию сегментов тела и выражают расположение многих компонентов тела во время начального эмбрионального развития.[6] В первую очередь, эти наборы гены используются во время разработки планов тела путем кодирования факторы транскрипции которые запускают производство структур конкретных сегментов тела. Кроме того, у большинства животных эти гены расположены вдоль хромосома сходен с порядком, в котором они выражены вдоль передне-задней оси.[7]

Варианты Hox-генов встречаются почти во всех филюм за исключением губка которые используют другой тип генов развития.[8] Гомология этих генов представляет важный интерес для ученых, поскольку они могут дать больше ответов на эволюция из многих разновидность. Фактически, эти гены демонстрируют такую ​​высокую степень гомологии, что вариант гена Hox человека - HOXB4 - может имитировать функцию своего гомолога у плодовой мушки (Дрозофила ).[9] Исследования показывают, что регуляция и другие гены-мишени у разных видов на самом деле являются причиной такой большой разницы в фенотипический разница между видами.[10]

Hox-гены содержат ДНК последовательность, известная как гомеобокс которые участвуют в регуляции паттернов анатомического развития. Они содержат определенную последовательность ДНК с целью предоставления инструкций по созданию цепочки из 60 строительных блоков белка - аминокислот, которые называются гомеодомен.[11] Большинство белков, содержащих гомеодомены, функционируют как факторы транскрипции и принципиально связывают и регулировать активность разных генов. Гомеодомен - это сегмент белка, который связывается с точными регуляторными областями генов-мишеней.[6] Гены внутри гомеобокс Семья вовлекается в широкий спектр важных действий во время роста.[11] Эти действия включают в себя направление развития конечностей и органов вдоль передне-задней оси и регулирование процесса созревания клеток для выполнения определенных функций, процесса, известного как клеточная дифференциация. Некоторые гены гомеобокса могут действовать опухолевые супрессоры, что означает, что они помогают предотвратить слишком быстрый или неконтролируемый рост и деление клеток.[6]

Из-за того, что гены гомеобокса выполняют так много важных функций, мутации в этих генах ответственны за широкий спектр нарушений развития.[11] Изменения в определенных генах гомеобокса часто приводят к глазным заболеваниям, аномальному развитию головы, лица и зубов. Кроме того, повышенная или пониженная активность определенных генов гомеобокса была связана с несколькими формами рак позже в жизни.[6]

Развитие конечностей

По сути, гены Hox вносят вклад в спецификацию трех основных компонентов развитие конечностей, включая стилопода, зевгопода и автопод.[12] Определенный мутации в генах Hox может потенциально привести к проксимальным и / или дистальным потерям вместе с различными аномалиями. Были созданы три разные модели для определения паттернов этих регионов.[12] В Зона поляризующей активности (ZPA) в зачатке конечности обладает активностью по организации паттерна за счет использования градиента морфогена белка, называемого Соник ежик (Тсс).[12] Sonic hedgehog включается в задней области через раннюю экспрессию генов HoxD вместе с экспрессией Hoxb8. Shh поддерживается сзади через петлю обратной связи между ZPA и AER. Shh расщепляет репрессорный комплекс транскрипции Ci / Gli3 для преобразования фактора транскрипции Gli3 в активатор, который активирует транскрипция генов HoxD вдоль передней / задней оси.[12] Очевидно, что разные Hox-гены важны для правильного развития конечностей у разных амфибий.

Исследователи провели исследование, нацеленное на гены Hox-9 - Hox-13 у разных видов лягушек и других амфибий. Подобно древнему четвероногий В группе с разными типами конечностей важно отметить, что земноводные необходимы для понимания происхождения и разнообразия конечностей у разных наземных позвоночных.[11] ПЦР (Полимеразной цепной реакции ) исследование было проведено на двух видах каждого отряда амфибий для идентификации Hox-9 и Hox-13. Были идентифицированы пятнадцать различных задних Hox генов и один ретро-псевдоген, и первые подтверждают существование четырех кластеров Hox в каждом отряде амфибий.[11] Определенные гены, которые, как ожидается, будут встречаться у всех четвероногих, основаны на заднем Hox-дополнении млекопитающих, рыб и латимерии, не были восстановлены. HoxD-12 отсутствует у лягушек и, возможно, у других амфибий. По определению, аутоподия - это дистальный сегмент конечности, включающий кисть или стопу. Принимая во внимание функцию Hox-12 в развитии аутоподии, потеря этого гена может быть связана с отсутствием пятого пальца у лягушек и саламандр.[11]

Hox-кластеры

В восточный тритон (Notophthalmus viridescens)

Как упоминалось ранее, гены Hox кодируют факторы транскрипции которые регулируют эмбриональные и постэмбриональные процессы развития.[13][14] Экспрессия Hox-генов частично регулируется плотным пространственным расположением консервативных кодирование и некодирование Участки ДНК.[13] Потенциал для эволюционных изменений в составе Hox кластера считается небольшим среди позвоночных. С другой стороны, недавние исследования небольшого числа немлекопитающих таксоны предлагают большее несходство, чем предполагалось изначально.[13] Затем секвенирование генерации значительных фрагментов генома размером более 100 тыс. Пар оснований из восточный тритон (Notophthalmus viridescens) был проанализирован. Впоследствии было обнаружено, что состав генов кластера Hox был консервативным по сравнению с ортологичными регионами от других позвоночных. Кроме того, было обнаружено, что длина интроны и межгенные области разнообразный.[13] В частности, расстояние между HoxD13 и HoxD11 больше у тритонов, чем у ортологичных регионов у видов позвоночных с расширенными скоплениями Hox, и, по прогнозам, превышает длину целых кластеров HoxD (HoxD13 – HoxD4) людей, мышей и лягушек.[13] Многие повторяющиеся последовательности ДНК были распознаны для кластеров Hox тритона, считая обогащение ДНК транспозоноподобными последовательностями, аналогичными некодирующим геномным фрагментам. Исследователи обнаружили, что результаты позволяют предположить, что расширение Hox-кластера и транспозон накопление - общие черты четвероногих позвоночных, не относящихся к млекопитающим.[13]

После потери конечности клетки объединяются, образуя скопление, известное как бластема.[15] Внешне это кажется недифференцированным, но клетки, которые возникли в коже, позже развиваются в новую кожу, мышечные клетки в новые мышцы, а хрящевые клетки - в новый хрящ. Это только клетки, расположенные непосредственно под поверхностью кожи. плюрипотентный и может развиваться в любой тип клетки.[16] Саламандра Области генома Hox демонстрируют элементы сохранения и разнообразия по сравнению с другими видами позвоночных. В то время как структура и организация генов, кодирующих Hox, консервативны, кластеры Hox тритона демонстрируют вариации в длинах интронов и межгенные области, а область HoxD13–11 превышает длину ортологичных сегментов даже среди видов позвоночных с расширенными скоплениями Hox.[13] Исследователи предположили, что экспансия HoxD13–11 предшествовала базовой саламандре. геном увеличение размеров, которое произошло примерно 191 миллион лет назад, потому что оно сохранилось во всех трех существующих группах амфибий.[13] Дополнительная проверка поддерживает предположение о том, что кластеры Hox не подвержены структурной эволюции, а вариации присутствуют в длинах интронов и межгенных областей, относительно большом количестве повторяющихся последовательностей и неслучайных скоплениях транспозонов ДНК в тритоны и ящерицы.[13] Исследователи обнаружили, что неслучайное наращивание ДНК-подобных транспозонов могло бы изменить кодирование развития, генерируя мотивы последовательности для транскрипционный контроль.

В заключение, доступные данные по нескольким четвероногим не млекопитающим подтверждают, что структурная гибкость Hox является правилом, а не исключением.[13] Считается, что эта эластичность может допускать вариации в развитии таксонов, не относящихся к млекопитающим. Это, конечно, верно для обоих эмбриогенез и во время перераспределения Hox-генов во время постэмбриональных процессов развития, таких как метаморфоза и регенерация.[13]

Поля градиента

Другой феномен, который существует в моделях на животных, - это наличие градиентных полей на раннем этапе развития. В частности, это было показано на водных амфибиях: тритон. Эти «градиентные поля», как они известны в биология развития, иметь возможность формировать соответствующие ткани что они предназначены для образования, когда клетки из других частей эмбриона вводятся или трансплантируются в определенные поля. Первое сообщение об этом было в 1934 году. Первоначально конкретный механизм этого довольно странного явления не был известен, однако было показано, что за этим процессом преобладают гены Hox. Более конкретно, концепция, теперь известная как полярность был реализован как один - но не единственный - из механизмов, которые движут этим развитием.

Исследования, проведенные Оливером и его коллегами в 1988 г., показали, что различные концентрации антигена XIHbox 1 присутствовали вдоль передне-задних отделов. мезодерма различных развивающихся моделей животных.[17] Один вывод о том, что эта разнообразная концентрация экспрессии белка на самом деле вызывает дифференциацию среди различных тканей и может быть одной из виновников этих так называемых «градиентных полей».[18] В то время как белковые продукты Hox-генов сильно участвуют в этих областях и дифференцировке у амфибий и рептилий, существуют и другие причинные факторы. Например, ретиноевая кислота и другие факторы роста было показано, что они играют роль в этих градиентных полях.[19]

Рекомендации

  1. ^ Mullen, L.M .; Bryant, S.V .; Torok, M.A .; Blumberg, B .; Гардинер, Д. (Ноябрь 1996 г.). «Нервная зависимость регенерации: роль передачи сигналов Distal -less и FGF в регенерации конечностей амфибий». Разработка. 122 (11): 3487–3497. PMID  8951064.
  2. ^ «Есть ли в иммунной системе саламандр ключ к регенерации?». Science Daily. Получено 2013-05-21.
  3. ^ Годвин, Джеймс У .; Пинто, Александр Р .; Розенталь, Надя (24 апреля 2013 г.). «Макрофаги необходимы для регенерации конечностей взрослой саламандры». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 110 (23): 9415–9420. Bibcode:2013ПНАС..110.9415Г. Дои:10.1073 / pnas.1300290110. ЧВК  3677454. PMID  23690624.
  4. ^ Savard, P .; Гейтс, П. Б.; Брокес, Дж. П. (1988). «Зависимая от положения экспрессия транскрипта гена гомеобокса в отношении регенерации конечности земноводных». Журнал EMBO. 7 (13): 4275–4282. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1988.tb03325.x. ЧВК  455141. PMID  2907476.
  5. ^ «Тритоны в 18 раз отрастают хрусталик глаза». Журнал КОСМОС. 2011-07-13. Архивировано из оригинал на 2012-04-24. Получено 2013-06-06.
  6. ^ а б c d Вирц, Р. М. (2006). Патентная заявка США 11/996680.
  7. ^ Кэрролл, С. Б. (1995). "'«Гомеотические гены и эволюция членистоногих и хордовых». Природа. 376 (6540): 479–485. Bibcode:1995Натура 376..479C. Дои:10.1038 / 376479a0. PMID  7637779. S2CID  4230019.
  8. ^ Ruddle, F.H .; Bartels, J. L .; Bentley, K. L .; Каппен, С .; Murtha, M.T .; Пендлтон, Дж. У. (1994). «Эволюция Hox-генов». Ежегодный обзор генетики. 28 (1): 423–442. Дои:10.1146 / annurev.ge.28.120194.002231. PMID  7893134.
  9. ^ Малики, Дж .; Cianetti, L.C .; Peschle, C .; Макгиннис, В. (1992). «Регуляторный элемент HOX4B человека обеспечивает специфическую для головы экспрессию в Дрозофила эмбрионы ". Природа. 358 (6384): 345–347. Bibcode:1992Натура.358..345М. Дои:10.1038 / 358345a0. PMID  1353609. S2CID  4256366.
  10. ^ Gellon, G .; МакГиннис, В. (1998). «Формирование планов тела животных в процессе развития и эволюции путем модуляции паттернов экспрессии Hox» (PDF). BioEssays. 20 (2): 116–125. Дои:10.1002 / (sici) 1521-1878 (199802) 20: 2 <116 :: aid-bies4> 3.0.co; 2-r. PMID  9631657.
  11. ^ а б c d е ж Mannaert, A .; Roelants, K .; Bossuyt, F .; Лейнс, Л. (2006). «Обзор ПЦР для задних Hox генов у амфибий». Молекулярная филогенетика и эволюция. 38 (2): 449–458. Дои:10.1016 / j.ympev.2005.08.012. PMID  16198128.
  12. ^ а б c d Johnson, P.T .; Lunde, K. B .; Ritchie, E.G .; Лаунер, А. Э. (1999). «Влияние трематодной инфекции на развитие конечностей земноводных и выживаемость». Наука. 284 (5415): 802–804. Bibcode:1999Sci ... 284..802J. Дои:10.1126 / science.284.5415.802. PMID  10221912.
  13. ^ а б c d е ж грамм час я j k Voss, S. R .; Putta, S .; Уокер, Дж. А .; Smith, J. J .; Maki, N .; Цонис, П. А. (2013). «Кластеры саламандры Hox содержат повторяющуюся ДНК и расширенные некодирующие области: типичная структура Hox для четвероногих позвоночных, не являющихся млекопитающими?». Геномика человека. 7 (9): 9. Дои:10.1186/1479-7364-7-9. ЧВК  3630018. PMID  23561734.
  14. ^ Цонис, П. А. (1990). «Регенерация конечностей амфибий». В естественных условиях. 5 (5): 541–550. PMID  1768806.
  15. ^ Чжао, Лудань; Хелмс, Джилл А. (2011). «Вспоминая свои корни: важность клеточной памяти в заживлении ран и регенерации конечностей». Достижения в лечении ран. 2: 26–30. Дои:10.1089/9781934854280.26 (неактивно 11.11.2020). Получено 2015-11-03.CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2020 г. (связь)
  16. ^ Кейм, Брэндон (01.07.2009). «Открытие саламандры может привести к регенерации конечностей человека». Проводной. Получено 2015-11-03.
  17. ^ Оливер, G .; Wright, C. V .; Hardwicke, J .; Де Робертис, Э. М. (1988). «Дифференциальная переднезадняя экспрессия двух белков, кодируемых геном гомеобокса в Xenopus и мышиные эмбрионы ". Журнал EMBO. 7 (10): 3199–3209. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1988.tb03187.x. ЧВК  454715. PMID  2460338.
  18. ^ Оливер, G .; Wright, C.V.E .; Hardwicke, J .; Де Робертис, Э. М. (1988). "Градиент белка гомеодомена в развивающихся передних конечностях Xenopus и мышиные эмбрионы ". Клетка. 55 (6): 1017–1024. Дои:10.1016/0092-8674(88)90246-2. PMID  2904837. S2CID  21318174.
  19. ^ Эйхеле, Г. (1989). «Ретиноиды и формирование рисунка конечностей позвоночных». Тенденции в генетике. 5 (8): 246–251. Дои:10.1016/0168-9525(89)90096-6. PMID  2686112.