Desde su descubrimiento en 1984, los genes que contienen homeobox han atraído la atención biólogos moleculares, bioquímicos, genetistas, embriólogos y biólogos evolutivos. Este interés generalizado refleja el hecho de que los genes homeobox representan el primer vínculo obvio entre todas las áreas anteriores.

Los genes que contienen homeobox se identifican por la presencia de una secuencia de ADN característica de 183 pb (homeobox) que codifica una región de proteína de 61 aa relativamente conservada. (homeodominio). Es importante comprender que las secuencias de homeodominios están lejos de ser constantes; por tanto, el procedimiento para determinar un homeodominio dentro de una secuencia de aminoácidos no siempre es sencillo. Por lo general, los homeodominios se identifican por la presencia de tres regiones de hélice alfa potenciales, varios residuos de aminoácidos invariantes y nivel alto homología con homeodominios previamente caracterizados. Las regiones variables restantes representan dos hélices alfa potenciales en la región C-terminal del dominio, que se cree que son responsables de la especificidad de la unión al ADN y la regulación posterior de los genes diana. Los mamíferos tienen cuatro grupos de genes que contienen homeobox.

Los clústeres HOX son un grupo altamente conservado de genes que están relacionados evolutivamente con los genes HOX de Drosophila, genes HOX similares a Antennapedia y complejos Bithorax. Análisis detallado Los patrones de expresión génica de los miembros de los cuatro grupos HOX mostraron que los dominios de expresión génica están espacialmente limitados en Diferentes areas embrión. Una característica importante de estos complejos homeobox es correlación lineal entre la posición de un gen en el grupo HOX y su dominio de expresión anteroposterior o axial relativo en muchos tejidos embrionarios. Esta propiedad se llama colinealidad y es conservadora en artrópodos y vertebrados; Esto sugiere que el mecanismo regulador para controlar dominios espacialmente restringidos de expresión de HOX es punto importante en la organización de grupos de estos genes. Se cree que los genes HOX están involucrados en la determinación de la organización espacial del embrión utilizando una combinación de genes específica (código HOX) expresada en todos los niveles. Esta teoría está respaldada por fenotipos experimentales que surgen de la alteración dirigida de la expresión de estos genes en embriones de vertebrados.

El conservadurismo en la expresión y la regulación sugiere que las señales utilizadas para establecer y mantener la expresión de los patrones HOX también pueden ser conservadoras. Tras obtener algunos datos experimentales, los estudios se centraron en los posibles vínculos entre el ácido retinoico (RA, PK) y los genes HOX. Como resultado de muchos estudios in vitro, se ha demostrado que los genes HOX están regulados por la inducción de la diferenciación celular por el ácido retinoico. En embriones, la PK puede influir tanto en el patrón de riñón de la extremidad como en los patrones de expresión de HOX de la extremidad. En varios vertebrados, la acción de la PK conduce a un crecimiento, diferenciación y configuración anormales del sistema nervioso, las células de la cresta neural y los arcos branquiales, que en algunos casos pueden correlacionarse con cambios en la expresión de HOX.

Así, la reacción de los genes HOX a PK en células cultivadas y embrionarias, la presencia de PK que se une a proteínas y receptores de embriones, así como las relaciones fenotípicas entre la expresión de PK y HOX sugieren que los genes HOX pueden ser objetivos de regulación generada por PK. vías de señalización.

Las mutaciones en los factores de transcripción predisponen especialmente a múltiples malformaciones, ya que la expresión de estos genes reguladores se da en varios tejidos (

Desde principios de 1900 c la sociedad de biólogos usó la pequeña mosca de la fruta (Drosophila) para realizar miles de experimentos. Los estudiantes de biología trabajan con moscas de la fruta, cruzando diferentes especies para desarrollar modelos de herencia. Hoy en día, hay miles de publicaciones dedicadas a las moscas de la fruta y, para los biólogos seculares, esta es la criatura ideal para investigar la genética evolutiva. Este insecto se usa porque es relativamente simple genéticamente. Drosophila tiene 4 pares de cromosomas fácilmente observables que contienen solo 13.000 genes (ADN). V En marzo de 2000, se identificó todo el genoma de Drosophila (un conjunto de genes).

Radiación como rayos X y diferentes frecuencias y longitudes. rayos X insectos irradiados en el laboratorio, como resultado de lo cual, por ejemplo, se produjeron anomalías en las alas conocidas como "sin alas", "rudimentarias", "caídas", etc. Desde 1910, los genetistas han registrado más de 3000 en estas criaturas, pero hasta ahora revistas científicas no han registrado un solo caso de Drosophila evolucionando a otra cosa, sin importar cuánto hayan mutado.

De hecho, el fallecido evolucionista Pierre Grasset argumentó: “Drosophila (Drosophila melanogaster), el insecto favorito de los genetistas, cuyos genotipos geográficos, biotípicos, urbanos y rurales se han estudiado a lo largo y ancho, no ha cambiado desde la antigüedad ".

Genes de halcón (secuencia de ADN específica): no ayudan a la macroevolución

Cuando el embrión comienza a desarrollarse, el plan de su cuerpo se revela bajo la guía de genes de control que incluyen un grupo de genes llamados homeobox o Genes de halcones. Genebitórax es una parte Genes de halcón, que, después de la mutación, pueden formar una Drosophila con cuatro alas (generalmente tienen dos alas). Se dice que "en la mayoría de los casos, las mutaciones inducidas experimentalmente en genes homeóticos producen cambios fundamentales en [el diseño corporal básico]" y un no creacionista declaró:

“Los genes de control, como los genes homeóticos, pueden apuntar a mutaciones que posiblemente alterarían los fenotipos, pero debe recordarse que cuanto más centralizados se realizan los cambios en un sistema complejo, más graves son las consecuencias periféricas. Los cambios homeóticos causados ​​en los genes de las moscas de la fruta sólo conducen a la deformidad, y la mayoría de los experimentos no esperan ver la aparición de abejas de sus elementos estructurales (de las moscas de la fruta) ".

Hace décadas, un biólogo de la Universidad de Denver dio un ejemplo de una "buena mutación" durante una discusión con el autor. La mutación involucró a un gen. bitórax, que da lugar a la atípica mosca de la fruta de cuatro alas. Desafortunadamente, los evolucionistas no informaron a los oyentes que la capacidad de volar de la mosca de la fruta estaba gravemente afectada. Hacer seleccion natural con esas criaturas mutadas?

Enlaces y notas

Genes homeóticos - (genes embrionarios reguladores) determinar los procesos de crecimiento y diferenciación del organismo en plantas y animales; las mutaciones en ellos conducen a la transformación de algunos órganos en otros (¿es decir?)

Los genes homeóticos de los animales contienen una región (homeobox) que es casi la misma en todas las especies (180 pb = 60 AA). Se denominan genes Hox (genes que contienen homeobox).

Los genes homeóticos se encuentran en uno o más cromosomas, en grupos estrechos (de 4 (ctenóforos) a 48 (mamíferos)), dentro de los cuales se conserva un orden estricto: los genes de la "cabeza" están al frente, los genes de la "cola" están en la parte de atrás. Su función es "encender" o "apagar" otros genes. (significado - y más subrayado) El orden lineal de los genes dentro de un grupo corresponde al tiempo o lugar de operación de los genes durante el desarrollo embrionario.

Los genes de Hawkes se encontraron en todos los organismos estudiados (en los genomas de hidras, sanguijuelas, nematodos, peces, mamíferos, anfibios y esponjas). Estos son genes antiguos que aparecieron hace más de 1000 millones de años. La complicación de la estructura de los organismos estuvo acompañada por la duplicación y divergencia de su función.

A pesar de la diversidad de la estructura de la flor, su desarrollo está controlado por genes homeóticos conservadores.

Teoría foliar (clásica) de la morfogénesis de las flores de I.V. Goethe:

Presentaciones: La flor es un brote modificado con entrenudos acortados. Los órganos florales se transforman en hojas. Desarrollado en las siguientes obras: (1790) "Experiencia sobre la metamorfosis de las plantas"; (1810) "La enseñanza de la flor".

Según el concepto clásico o foliar (de Lat. Folium - hoja), expresado por I.V. Goethe (1790), apoyado por A.P. Decandolle (1813) y otros investigadores, todos los elementos de la flor son hojas metamorfoseadas. Por tanto, la flor se definió como un brote modificado con crecimiento limitado, adaptado para llevar a cabo todos los procesos que aseguran la reproducción de semillas de las plantas.

El fenotipo del triple mutante es una fuerte evidencia a favor de la teoría foliar de la morfogénesis de la flor de Goethe.

Modelo ABC de desarrollo floral:

El modelo ABC es un paradigma moderno de la genética del desarrollo. Según este modelo, la diferenciación de los órganos florales está determinada por el trabajo de 3 clases de genes reguladores: los genes de clase A son responsables del desarrollo de los sépalos, junto con los genes de clase B, determinan la formación de pétalos, trabajo conjunto Los genes de clase B y C conducen al desarrollo de estambres, y los propios genes C controlan la aparición del pistilo en el centro de la flor. Estos genes codifican factores de transcripción que inducen la especialización de los tejidos vegetales durante el desarrollo.

Posteriormente, se agregaron dos clases más de genes: genes de clase D, que son responsables del desarrollo del ovario en la flor, las mutaciones en este gen conducen al desarrollo de carpelos en lugar del ovario, y la sobreexpresión de estos genes conduce a la formación de ovarios en lugar de sépalos y pétalos; y genes de clase E que controlan la identidad de los tres círculos internos.

Cuando estos genes se alteran, algunas partes de la flor se convierten en otras (los estambres en pétalos o los pétalos en sépalos). La especie modelo en estos estudios fue Arabidopsis, en la que se encontraron una serie de mutaciones homeóticas, con la acción combinada de algunas de las cuales todas las partes de la flor se convirtieron en hojas.

Evolución [Ideas clásicas a la luz de nuevos descubrimientos] Markov Alexander Vladimirovich

Los genes hox han encontrado la libertad y las serpientes han perdido las piernas

Hox-los genes han encontrado la libertad- y las serpientes han perdido las piernas

Finalmente, considere la investigación que arroja luz sobre el papel de Hox-genes en la evolución de los vertebrados. Como sabes, la función más importante Hox-genes es que marcan el embrión en detalle a lo largo del eje anteroposterior. Más destino las células embrionarias atrapadas en una u otra parte del embrión depende del conjunto Hox-genes expresados ​​en esta parte. Para todos Hox-gene se caracteriza por tener su propia área de expresión. Por ejemplo, genes Hox12 y Hox13 por regla general, funcionan solo en la parte posterior del embrión, que luego se convertirá en la cola; genes Hox10 en algunos vertebrados, trabajan desde el extremo posterior del embrión hasta la línea que se convertirá en el límite entre la región torácica (donde hay costillas en las vértebras) y la lumbar, donde no se desarrollan las costillas. " Hox-code ", que determina el plan de la estructura del organismo, es complejo y no es exactamente igual en diferentes grupos de vertebrados. No cabe duda de que muchas de las principales transformaciones evolutivas que afectan al plan de construcción se han asociado con cambios en la estructura y la expresión. Hox-genes. Sin embargo, todavía hay pocos ejemplos bien estudiados que ilustren esta conexión.

Hox - genes de Drosophila y humanos. Rectángulos los genes se indican en el orden en que se encuentran en los cromosomas. La mosca tiene un juego Hox -genes, en humanos: cuatro, que se duplican parcialmente entre sí (se formaron a partir de uno como resultado de dos duplicaciones del genoma completo). Los grupos A, B, C, D están ubicados en diferentes cromosomas (en un ratón, estos son los cromosomas n. ° 6, 11, 15 y 2; en los humanos, n. ° y, 17, 2, 12). En las serpientes, a diferencia de los ratones y los humanos, el grupo D carece del duodécimo gen ( Hoxd12 ). En las imágenes de una mosca y un embrión humano, las áreas de expresión de los genes correspondientes están coloreadas con los mismos colores que los genes mismos. Según los últimos datos, la correspondencia entre Hox Los genes de artrópodos y vertebrados son algo menos inequívocos que los que se muestran en este diagrama.

En muchos animales, incluidos los vertebrados, Hox-los genes en el genoma están ubicados en grupos, es decir, en grupos cercanos entre sí. Lo más sorprendente es que el orden de los genes en Hox-los grupos a menudo (aunque no siempre) coinciden con la distribución de las regiones de expresión a lo largo del eje anteroposterior: al frente están los genes "cabeza", seguidos de los genes responsables de la formación de las partes medias del cuerpo, y el grupo está cerrado por los genes "posteriores" que controlan el desarrollo de las partes posteriores del cuerpo. Al parecer, esto se debe a la forma de regulación de la expresión. Hox-genes: la sección de ADN donde el Hox-clúster, se "abre" gradualmente, quedando disponible para la transcripción a medida que se mueve desde el extremo frontal del cuerpo hacia la parte posterior. Por lo tanto, en el extremo anterior del cuerpo, solo el anterior Hox-genes, y cuanto más cerca de la cola, más genes posteriores se incluyen en el trabajo. ¡Una forma conveniente de regular los genes responsables de marcar el embrión a lo largo del eje anteroposterior!

Los antepasados ​​de los vertebrados, como el lancelet moderno, tenían uno en el genoma. Hox-un grupo que contiene 14 genes. Sobre el primeras etapas En la evolución de los vertebrados, se produjeron dos duplicaciones del genoma completo. Como resultado, los vertebrados adquirieron cuatro Hox- grupo en lugar de uno. Esto abrió grandes posibilidades evolutivas para los vertebrados (ver Capítulo 5). Seleccionado Hox-genes en algunos grupos se perdieron, pero en general su conjunto y disposición permanecieron iguales en los cuatro grupos. Genes parálogos (es decir, copias de los mismos Hox-genes en diferentes Hox-grupos) adquirieron funciones ligeramente diferentes, lo que hizo posible regular con precisión desarrollo embriónico y facilitó el desarrollo de nuevos planes de construcción.

Biólogos de Suiza, Nueva Zelanda y Estados Unidos estudiaron el trabajo Hox-genes en reptiles escamosos (desprendimiento Squamata) (Di-Poi y col., 2010). Este orden, que une lagartos y serpientes, es interesante por la variedad de planos estructurales y la variabilidad de caracteres asociados a la diferenciación anteroposterior del cuerpo (la longitud relativa de las partes del cuerpo, el número de vértebras en ellas, etc.) Por tanto, era lógico suponer que Hox- los clústeres escamosos deben tener características específicas y que Hox Los genes de las lagartijas y las serpientes deben ser diferentes.

Anteriormente se demostró que las áreas de expresión del anterior Hox-los genes de las serpientes se han expandido posteriormente en comparación con otros vertebrados. Esto está de acuerdo con el alargamiento general del cuerpo. Además, se encontró que la regla de colinealidad (es decir, el mismo orden de disposición de los genes en el grupo y las regiones de su expresión en el embrión) se observa estrictamente en las serpientes.

Investigadores enfocados en la retaguardia Hox-genes (del 10 al 13). Los principales objetos de estudio fueron el lagarto de cola de látigo. Aspidoscelis uniparens y serpiente de maíz Elaphe guttata... Además, fueron secuenciados Hox- grupos de varios otros lagartos, tuátaras y tortugas. A modo de comparación, usamos Hox- racimos de pollo, humano, ratón y rana.

Conjunto trasero Hox-los genes en todas las especies estudiadas resultaron ser iguales, excepto por el hecho de que las serpientes y las ranas "perdieron" el gen Hoхd12(12º Hox-gene del clúster D). Se encontraron cambios significativos en áreas regulatorias Hox- racimos. Resultó que todos los reptiles escamosos habían perdido la región reguladora entre genes. Hoхd13 y Evx2, y las serpientes también perdieron el elemento conservador no codificante entre Hoхd12 y Hoхd13 y algunas áreas regulatorias en otras Hox- racimos. Un resultado inesperado fue la presencia en Hox- grupos de un conjunto escamoso de elementos genéticos móviles incrustados. Como resultado, la longitud total de la parte trasera Hox-Los racimos en escamata han crecido significativamente en comparación con otros vertebrados terrestres.

Todo esto parece indicar que las limitaciones evolutivas que impiden la acumulación de cambios en la parte posterior de la escala se han debilitado. Hox- racimos. La selección de limpieza, rechazando cambios similares en otros vertebrados, fue menos efectiva en la evolución de lagartos y serpientes. Esta conclusión se confirmó durante el análisis de las regiones codificantes. Hox-genes. En estas áreas, los lagartos, y especialmente las serpientes, han acumulado muchas sustituciones significativas en comparación con otros vertebrados. Algunos de ellos, aparentemente, fueron arreglados al azar, debido al debilitamiento de la selección purificadora, mientras que otros fueron arreglados bajo la influencia de la selección positiva, es decir, fueron útiles.

Estudio de la naturaleza de la expresión del trasero. Hox-genes en embriones de lagartos y serpientes confirmaron la suposición de que los cambios en el plan estructural en la evolución de escamas Hox-genes.

En el lagarto, como en otros vertebrados terrestres, el borde de ataque del área de expresión génica Hoxa10 y Hoxc10 corresponde exactamente al límite entre las regiones torácica y lumbar. Una de las funciones de estos genes es inhibir el desarrollo de las costillas. Las serpientes no tienen una región lumbar, y en las antiguas vértebras sacras (en las serpientes se les llama vértebras cloacales) hay costillas bifurcadas especiales. Aparentemente, estas características están asociadas con el hecho de que Hox-Los genes de los antepasados ​​de las serpientes han perdido la capacidad de detener el crecimiento de las costillas.

Área de expresión Hoxa10 y Hoxc10 en la serpiente se extiende hasta la región torácica. Estos genes también son responsables de la terminación oportuna del crecimiento de la región torácica. Aparentemente, esta función de ellos también se debilita en las serpientes, lo que podría ser una de las razones del alargamiento de la región torácica en las serpientes en comparación con sus antepasados, los lagartos. El alargamiento de la sección de la cola en las serpientes se debe al hecho de que de los cuatro genes que "inhiben" el crecimiento de la cola en las lagartijas ( Hoxa13, Hoxc13, Hoxd13, Hoxd12) un gen en las serpientes está completamente perdido ( Hoxd12), y los otros dos ( Hoxa13, Hoxd13) no participan en el "marcado" anteroposterior del embrión y se utilizan únicamente en la formación de los genitales.

Numerosos casos de pérdida independiente y reducción parcial de extremidades en las escamosas también pueden asociarse al hecho de que en este orden, la posterior Hox-genes recibieron una "libertad" evolutiva atípica para otros animales. La selección de limpieza se debilitó en ellos, lo que hizo posible acumular mutaciones rápidamente.

Áreas de expresión trasera Hox -genes en lagartos y serpientes. En el lagarto, frente a las vértebras caudales, hay dos sacras(mostrado en gris oscuro) seguido de una vértebra lumbar rudimentaria(Blanco) , y luego las vértebras torácicas van(gris) ... La serpiente no tiene región lumbar, y en lugar de sacra hay cuatro vértebras cloacales con costillas bifurcadas.(gris oscuro) . Rectángulos verticales mostrando áreas de expresión de la parte posterior Hox -genes. Desde Di-Poi y col., 2010 .

Se sabe que la parte trasera Hox-genes juegan un papel clave no solo en el diseño de las secciones traseras del maletero, sino también en el desarrollo de las extremidades. Por tanto, algunas mutaciones en estos genes, que conducen, por ejemplo, al alargamiento del cuerpo oa la reducción de la columna lumbar, teóricamente pueden dar lugar a efectos secundarios como la reducción de las extremidades. El alargamiento del cuerpo en combinación con la reducción de extremidades también se encuentra en otros grupos de vertebrados (por ejemplo, en algunos anfibios). ¿Fue esto debido a los mismos cambios en el trabajo? Hox-genes, como en las serpientes, o con otras, demostrarán más investigaciones.

La biología evolutiva del desarrollo es una disciplina en rápida evolución de la que se esperan importantes avances científicos. Descifrar las redes reguladoras de genes que gobiernan el desarrollo es una de las tareas más urgentes de la biología. Su solución nos permitirá comprender no solo la relación entre genotipo y fenotipo, sino también las reglas más importantes y patrones de evolución de organismos complejos. Cuando estas reglas, que hoy conocemos sólo en términos generales, se estudien a fondo, hasta la construcción de modelos matemáticos rigurosos, se abrirán ante la humanidad oportunidades sin precedentes. Diseñando desde cero sistemas biológicos con las propiedades que necesitamos, solo una de ellas. El otro es el cultivo de nuestra propia naturaleza. Todo esto será. Solo es necesario comprender claramente para qué fines la humanidad futura la necesita, y esperar que el desarrollo cultural, social y moral-ético de la humanidad en ese momento excluya la posibilidad de utilizar estos descubrimientos en detrimento.

Serpientes marinas Hace unos 350 millones de años, el pariente del celacanto que respira aire, el celacanto, salió del agua con sus torpes aletas cruzadas y se convirtió en el primer vertebrado en vivir en la tierra. Las plantas y los invertebrados ya se han extendido allí, habiendo penetrado desde