След откриването им през 1984 г., гените, съдържащи хомеобокс, привличат вниманието молекулярни биолози, биохимици, генетици, ембриолози и еволюционни биолози. Този широко разпространен интерес отразява факта, че хомеобокс гените представляват първата очевидна връзка между всички горепосочени области.

Гените, съдържащи Homeobox, се идентифицират чрез наличието на характерна 183 bp ДНК последователност (homeobox), кодираща относително запазен 61 a.a. (хомеодомен). Важно е да се разбере, че хомеодоменните последователности далеч не са постоянни; така, процедурата за определяне на хомеодомен в аминокиселинна последователност не винаги е ясна. Обикновено хомеодомейните се идентифицират чрез наличието на три потенциални алфа-спирални области, няколко инвариантни аминокиселинни остатъка и високо нивохомология с предварително характеризирани хомеодомейни. Останалите променливи области са две потенциални алфа спирали в С-терминалния регион на домейна, за които се смята, че са отговорни за специфичността на свързване на ДНК и последващата регулация на целевите гени. Бозайниците имат четири клъстера от гени, съдържащи хомеобокс.

HOX клъстерите са силно запазена група от гени, еволюционно свързани с HOX гени, подобни на Drosophila Antennapedia и комплекси Bithorax. Подробен анализмоделите на генна експресия на членовете на всичките четири HOX клъстера показват, че домейните на генна експресия са пространствено ограничени в различни областиембрион. Важна характеристика на тези хомеобокс комплекси е линейна корелациямежду позицията на ген в HOX клъстера и неговия относителен предно-заден или аксиален експресионен домен в много ембрионални тъкани. Това свойство се нарича колинеарност и е запазено при членестоноги и гръбначни животни; това предполага, че регулаторният механизъм за контролиране на пространствено ограничени домейни на експресия на HOX е важен моментв организацията на клъстери от тези гени. Смята се, че HOX гените участват в определянето на пространствената организация на ембриона чрез специфична комбинация от гени (HOX код), експресирани на всички нива. Тази теория се подкрепя от експерименталните фенотипове, произтичащи от целенасочено нарушаване на експресията на тези гени в ембриони на гръбначни животни.

Консерватизмът в експресията и регулирането предполага, че сигналите, използвани за установяване и поддържане на експресията на HOX модели, също могат да бъдат запазени. След като получиха някои експериментални данни, изследванията се фокусираха върху възможните връзки между ретиноевата киселина (RA, RA) и HOX гените. Много проучвания in vitro показват, че HOX гените се регулират чрез индуциране на клетъчна диференциация от ретиноева киселина. При ембрионите RK може да повлияе както на моделирането на пъпките на крайниците, така и на моделите на експресия на HOX в крайниците. При редица гръбначни, действието на RK води до анормален растеж, диференциация и моделиране на нервната система, клетките на нервния гребен и хрилните дъги, което в някои случаи може да корелира с промени в експресията на HOX.

По този начин, отговорът на HOX гените към RA в клетки на култури и ембриони, наличието на RA, който се свързва с ембрионални протеини и рецептори, и фенотипните връзки между експресията на RA и HOX предполагат, че HOX гените могат да бъдат мишени на регулация, генерирана от RK сигнализиране пътеки.

Мутациите на транскрипционния фактор са особено предразполагащи към множество малформации, тъй като тези регулаторни гени се експресират в различни тъкани (

От началото на 1900 г Обществото на биолозите използва малка дрозофила (дрозофила) за хиляди експерименти. Учениците в часовете по биология работят с плодови мухи, кръстосвайки различни сортове, за да развият модели на наследственост. Към днешна дата има хиляди публикации, посветени на дрозофила, а за светските биолози това е съществото, което е много подходящо за изучаване на еволюционната генетика. Това насекомо се използва, защото е генетично сравнително просто. Дрозофила има 4 двойки лесно наблюдавани хромозоми, съдържащи само 13 000 гена (ДНК). VПрез март 2000 г. е идентифициран целият геном на Drosophila (набор от гени).

Радиации, като рентгенови лъчи и различни честоти и дължини рентгенови лъчиоблъчени насекоми в лабораторията, което води например до аномалии на крилата, известни като "безкрили", "зачатъчни", "увиснали" и т.н. От 1910 г. насам генетиците са регистрирали повече от 3000 в тези същества, но досега научни списанияне са регистрирали нито един случай на дрозофила да еволюира в нещо друго, без значение колко са мутирали.

Всъщност покойният еволюционист Пиер Грасе твърди: „Дрозофила (дрозофила melanogaster), любимото насекомо на генетиците, чиито географски, биотипни, градски и селски генотипове сега се изследват нагоре и надолу, не се е променило от древни времена.

Гени на Хоукс (специфична ДНК последователност): няма помощ от макроеволюцията

Когато ембрионът започне да се развива, неговият план на тялото се разгръща под ръководството на контролни гени, които включват група от гени, наречени homeoboxили ястребови гени.генбиторакс е част гени на вола, които, когато са мутирали, могат да образуват плодова муха с четири крила (те обикновено имат две крила). Казва се, че „в повечето случаи експериментално предизвиканите мутации в хомеотичните гени водят до фундаментални промени в [основния дизайн на тялото]“, и един некреационист заяви:

„Контролните гени, като хомеотичните гени, могат да бъдат цел на мутации, които евентуално биха променили фенотипите, но трябва да се помни, че колкото по-централни промени се правят в сложна система, толкова по-тежки са периферните последици. Хомеотичните промени, причинени в гените на плодовите мухи, водят само до деформация и повечето експерименти не очакват да видят появата на пчели от техните (Drosophila) градивни елементи.

Преди десетилетия пример за "добра мутация" беше даден от биолог от университета в Денвър по време на дискусия с автора. Мутацията включва ген биторакс, който произвежда атипичната четирикрила дрозофила. За съжаление, еволюционистите не казаха на слушателите, че способността на Дрозофила да лети е силно увредена. Да направя естествен подборс такива мутирали същества?

Връзки и бележки

Хомеотични гени - (регулаторни ембрионални гени) определят процесите на растеж и диференциация на организма при растенията и животните; мутациите в тях водят до трансформация на едни органи в други.(Смисъл?)

Хомеотичните гени на животните съдържат регион (хомеобокс), който е почти еднакъв при всички видове (180 bp = 60 AA). Те се наричат ​​Hox ("hox") гени (гени, съдържащи хомеобокс).

Хомеотичните гени са разположени на една или повече хромозоми, в тесни групи (от 4 (комтенофори) до 48 (бозайници)), в рамките на които се запазва строг ред: гените „глава“ са отпред, „опашката“ са отзад . Тяхната функция е да "включват" или "изключват" други гени. (значение - и допълнително подчертано)Линейният ред на гените в клъстер съответства на времето или мястото на действие на гена по време на ембрионалното развитие.

Гените на Hawks са открити във всички изследвани организми (в геномите на хидри, пиявици, нематоди, риби, бозайници, земноводни и гъби). Това са древни гени, които са се появили преди >1000 милиона години. Усложняването на структурата на организмите беше придружено от дублиране и разминаване на техните функции.

Въпреки разнообразието на структурата на цветето, неговото развитие се контролира от запазени хомеотични гени.

Листна (класическа) теория на цветната морфогенеза от И. В. Гьоте:

Презентации: Цветето е видоизменен издън със скъсени междувъзлия. Органите на цветето са трансформираните листа. Разработено в съчиненията: (1790) „Опит върху метаморфозата на растенията”; (1810) „Поучение за цветето“.

Според класическата, или листна (от лат. folium - лист) концепция, изразена от И.В. Гьоте (1790), подкрепен от A.P. Декандол (1813) и други изследователи, всички цветни елементи са метаморфизирани листа. Следователно цветето се определя като модифициран издънка с ограничен растеж, пригоден да извършва всички процеси, които осигуряват семеното размножаване на растенията.

Тройният мутантен фенотип е убедително доказателство в полза на листната теория на Гьоте за морфогенезата на цветята.

ABC модел на развитие на цветя:

ABC-моделът е съвременна парадигма на генетиката на развитието. Според този модел диференциацията на цветните органи се определя от работата на 3 класа регулаторни гени: гените от клас А са отговорни за развитието на чашелистчетата, заедно с гените от клас В определят образуването на венчелистчета, съвместна дейностгените от клас B и C водят до развитието на тичинки, а самите C гени контролират появата на плодника в центъра на цветето. Тези гени кодират транскрипционни фактори, които причиняват специализация на растителната тъкан по време на развитието.

Впоследствие бяха добавени още два класа гени: гени от клас D, които са отговорни за развитието на яйчника в цветето, мутациите в този ген водят до развитието на плодолисти вместо яйчника, а свръхекспресията на тези гени води до образуване на яйчници вместо чашелистчета и венчелистчета; и гени от клас Е, които контролират идентичността на трите вътрешни кръга.

Когато тези гени са нарушени, някои части на цветето се превръщат в други (тичинки във венчелистчета или венчелистчета в чашелистчета). Моделният вид в тези изследвания е Arabidopsis, при който са открити редица хомеотични мутации, при комбинираното действие на някои от които всички части на цветето се превръщат в листа.

Еволюция [Класически идеи в светлината на новите открития] Марков Александър Владимирович

Hox гените се освободиха - и змиите загубиха краката си

Hox- гените получиха свобода - и змиите загубиха краката си

И накрая, помислете за проучване, което хвърля светлина върху ролята Hox-гени в еволюцията на гръбначните животни. Както знаете, най-важната функция Hox-гени се крие във факта, че маркират ембриона в детайли по предно-задната ос. По-нататъшна съдбаембрионални клетки, попаднали в една или друга част на ембриона, зависи от набора Hoxгени, експресирани в тази част. За всеки Hox-генът се характеризира със собствен регион на експресия. Например гените Hox12и Hox13, като правило, работят само в задната част на ембриона, който по-късно ще стане опашката; гени Hox10при някои гръбначни животни те работят от задния край на ембриона до линията, която ще стане границата между гръдната област (където има ребра на прешлените) и лумбалната област, където ребрата не се развиват. " Hox-код”, който определя плана на структурата на тялото, е сложен и не съвсем еднакъв при различните групи гръбначни животни. Не може да има съмнение, че много от основните еволюционни промени, засягащи плана на тялото, са свързани с промени в структурата и изражението. Hox-гени. Въпреки това, все още има няколко добре проучени примера, илюстриращи тази връзка.

Hox Дрозофила и човешки гени.Правоъгълници Гените са изброени в реда, в който са разположени на хромозомите. Мухата има един комплект Hox -гени, при хората - четири, частично дублиращи се един друг (образувани са от един в резултат на две дупликации в целия геном). Клъстерите A, B, C, D са разположени върху различни хромозоми (при мишки това са хромозоми No 6, 11, 15 и 2; при хората са с номера y, 17, 2, 12). Змиите, за разлика от мишките и хората, нямат 12-ти ген в клъстер D ( Hoxd12 ). В изображенията на муха и човешки ембрион регионите на експресия на съответните гени са оцветени в същите цветове като самите гени. По последни данни кореспонденцията между Hox -гените на членестоноги и гръбначни животни са малко по-малко еднозначни, отколкото е показано на тази схема.

При много животни, включително гръбначни, Hox-гените в генома са разположени в клъстери, тоест групи, близки една до друга. Най-изненадващо е редът на гените в Hox-клъстерите често (макар и не винаги) съвпадат с разпределението на експресионните региони по предно-задната ос: гените на „главата“ са отпред, последвани от гените, отговорни за образуването на средните части на тялото, и клъстера е затворен от "гръбните" гени, които контролират развитието на задните части на тялото. Очевидно това се дължи на начина, по който се регулира изражението. Hoxгени: участъкът от ДНК, където се намира Hox-клъстер, постепенно се „отваря“, става достъпен за транскрипция, докато се движи от предния край на тялото към задния. Следователно, в предния край на тялото, само предната Hox-гени и колкото по-близо до опашката, толкова повече задни гени са включени в работата. Удобен начин за регулиране на гените, отговорни за маркирането на ембриона по предно-задната ос!

Предците на гръбначните животни, като съвременния ланцет, са имали такъв Hox-клъстер, включващ 14 гена. На ранни стадииЕволюцията на гръбначните животни е наблюдавала две дублирания в целия геном. В резултат на това гръбначните животни придобиха четири Hox-клъстер вместо един. Това отвори големи еволюционни възможности за гръбначните животни (вижте глава 5). Отделно Hox-гените в някои клъстери бяха загубени, но като цяло техният набор и подредба останаха сходни и в четирите клъстера. Паралогични гени (т.е. копия на същите Hox-ген в различни Hox-клъстери) придобиха малко по-различни функции, което направи възможно фината настройка ембрионално развитиеи улесни разработването на нови строителни планове.

Биолози от Швейцария, Нова Зеландия и САЩ са изследвали работата Hox-гени в люспести влечуги (ред Сквамата) (DiPoi и др., 2010 г). Това отделение, което обединява гущери и змии, е интересно с разнообразието от планове на тялото и вариабилността на характерите, свързани с предно-задната диференциация на тялото (относителната дължина на частите на тялото, броя на прешлените в тях и др.) Следователно беше логично да се предположи, че Hox- гроздове от сквамати трябва да имат специфични характеристики и това Hox-гените на гущерите и змиите трябва да са различни.

По-рано беше показано, че експресионните региони на предната Hox-гените в змиите са се разширили отзад в сравнение с други гръбначни животни. Това е в добро съгласие с цялостното удължаване на тялото. Освен това беше установено, че правилото за колинеарност (т.е. същият ред на подреждане на гените в клъстера и техните области на експресия в ембриона) се спазва стриктно при змиите.

Изследователите се фокусираха върху задната част Hox-гени (от 10-ти до 13-ти). Основните обекти на изследването са били гущерът с опашка Aspidoscelis uniparensи царевична змия Elaphe guttata. Освен това те бяха секвенирани Hox- гроздове от няколко други гущери, tuatara и костенурки. За сравнение използвахме Hox- гроздове от пиле, хора, мишки и жаби.

Заден комплект Hox-гените при всички изследвани видове се оказаха еднакви, с изключение на факта, че змиите и жабите "загубиха" гена Hoхd12(12-ти Hox- ген от клъстера д). Открити са важни промени в регулаторните региони Hox- клъстери. Оказа се, че всички люспести влечуги са загубили регулаторната област между гените Hoхd13и Evх2, и в допълнение, змиите са загубили консервативен некодиращ елемент между Hoхd12и Hoхd13и някои регулаторни сайтове в други Hox- клъстери. Неочакван резултат беше присъствието в Hox-групи от сквамозни набори от вградени мобилни генетични елементи. В резултат на това общата дължина на гърба Hox-клъстерите в скваматите са се увеличили значително в сравнение с други сухоземни гръбначни животни.

Всичко това изглежда показва, че при скваматите еволюционните ограничения, които предотвратяват натрупването на изменения в задната част, са отслабнали. Hox- клъстери. Пречистващата селекция, която отхвърля подобни промени при други гръбначни животни, е по-малко ефективна в еволюцията на гущери и змии. Това заключение беше потвърдено и по време на анализа на кодиращите региони Hox-гени. В тези райони гущерите и особено змиите са натрупали много значителни замествания в сравнение с други гръбначни животни. Някои от тях, очевидно, бяха фиксирани случайно, поради отслабването на пречистващата селекция, докато други бяха фиксирани под влияние на положителна селекция, тоест бяха полезни.

Изучаването на естеството на изражението на задната част Hox-гените в ембрионите на гущер и змия потвърдиха предположението, че промените в плана на тялото в еволюцията на скваматите са тясно свързани с промените в работата на коша Hox-гени.

При гущера, както и при други сухоземни гръбначни животни, предният ръб на областта на генната експресия Hoxa10и Hoxc10точно отговаря на границата между гръдната и лумбалната област. Една от функциите на тези гени е да потискат развитието на ребрата. Змиите нямат лумбална област, а на бившите сакрални прешлени (при змиите се наричат ​​клоакални) има специални раздвоени ребра. Очевидно тези характеристики са свързани с факта, че Hox- гените в предците на змиите са загубили способността да спират растежа на ребрата.

Област на изразяване Hoxa10и Hoxc10в змията отива далеч в гръдната област. Тези гени са отговорни и за навременното спиране на растежа на гръдния участък. Очевидно тази функция е отслабена и при змиите, което може да е една от причините за удължаването на гръдния кош при змиите спрямо техните предци – гущерите. Удължаването на опашната част при змиите се дължи на факта, че от четирите гена, които "инхибират" растежа на опашката при гущерите ( Hoxa13, Hoxc13, Hoxd13, Hoxd12) един ген в змиите е напълно загубен ( Hoxd12), а другите две ( Hoxa13, Hoxd13) не участват в предно-задното "маркиране" на ембриона и се използват само при формирането на гениталните органи.

Множество случаи на самостоятелна загуба и частична редукция на крайниците при скваматите също могат да бъдат свързани с факта, че в този ред задните Hox-гените са получили еволюционна "свобода", нетипична за други животни. Пречистващата селекция стана по-малко ефективна за тях, което направи възможно бързото натрупване на мутации.

Региони на изразяване в задната част Hox -гени при гущери и змии. Гущерът има два сакрални прешлена пред опашните прешлени.(показан в тъмно сиво) , последвано от един рудиментарен лумбален прешлен(бяло) , а след това отидете на гръдните прешлени(сив) . Змията няма лумбална област и вместо сакрални прешлени има четири клоакални прешлена с раздвоени ребра(тъмно сив) . вертикални правоъгълници показва зоните на изразяване на задната част Hox -гени. От DiPoi и др., 2010 г .

Известно е, че задната Hox-гените играят ключова роля не само в дизайна на задните части на тялото, но и в развитието на крайниците. Следователно някои мутации на тези гени, водещи например до удължаване на тялото или намаляване на лумбалната област, теоретично могат да доведат до странични ефекти като намаляване на крайниците. Удължаване на тялото в комбинация с намаляване на крайниците се среща и при други групи гръбначни животни (например при някои земноводни). Свързано ли е със същите промени в работата Hox-гени, като при змии или с други, ще покажат по-нататъшните изследвания.

Еволюционната биология на развитието е бързо развиваща се дисциплина, от която могат да се очакват големи научни открития. Дешифрирането на генно-регулаторните мрежи, които контролират развитието, е една от най-неотложните задачи на биологията. Неговото решение ще позволи да се разбере не само връзката между генотипа и фенотипа, но и най-важните правилаи модели на еволюция на сложни организми. Когато тези правила, познати ни днес само в общи линии, бъдат задълбочено проучени, до конструирането на строги математически модели, пред човечеството ще се открият безпрецедентни възможности. Дизайн от нулата биологични системис нужните ни имоти е само един от тях. Другото е съвършенството на нашата собствена природа. Всичко това ще бъде. Необходимо е само ясно да се разберат целите, за които бъдещото човечество се нуждае от него, и да се надяваме, че културното, социалното, моралното и етическото развитие на човечеството по това време ще изключи възможността тези открития да бъдат използвани в ущърб.

Морски змии Преди около 350 милиона години, дишащият с въздух роднина на целаканта, целакантът, се изкачи от водата със своите тромави перки с кръстосани перки и стана първото гръбначно животно, което живее на сушата. Растенията и безгръбначните вече са успели да се разпространят там, прониквайки от