Od czasu odkrycia w 1984 roku geny zawierające homeobox zwróciły na siebie uwagę biolodzy molekularni, biochemicy, genetycy, embriolodzy i biolodzy ewolucyjni. To szerokie zainteresowanie odzwierciedla fakt, że geny homeoboxów stanowią pierwszy oczywisty związek między wszystkimi powyższymi obszarami.

Geny zawierające homeobox identyfikuje się na podstawie obecności charakterystycznej sekwencji DNA o długości 183 pz (homeobox) kodującej stosunkowo konserwowany region białka o długości 61 aminokwasów. (homeodomena). Ważne jest, aby zrozumieć, że sekwencje homeodomen są dalekie od stałych; tak więc procedura określania homeodomen w sekwencji aminokwasowej nie zawsze jest prosta. Zazwyczaj homeodomeny identyfikuje się na podstawie obecności trzech potencjalnych regionów alfa-helikalnych, kilku niezmiennych reszt aminokwasowych i wysoki poziom homologia z wcześniej scharakteryzowanymi homeodomenami. Pozostałe regiony zmienne reprezentują dwie potencjalne alfa-helisy w regionie C-końcowym domeny, które uważa się za odpowiedzialne za specyficzność wiązania DNA i późniejszą regulację genów docelowych. Ssaki mają cztery skupiska genów zawierających homeobox.

Klastry HOX to wysoce konserwatywna grupa genów, które są ewolucyjnie spokrewnione z genami HOX Drosophila, genami HOX podobnymi do antenapedii i kompleksami Bithorax. Szczegółowa analiza wzorce ekspresji genów członków wszystkich czterech klastrów HOX wykazały, że domeny ekspresji genów są przestrzennie ograniczone w różne obszary zarodek. Ważną cechą tych kompleksów homeobox jest: korelacja liniowa między pozycją genu w klastrze HOX a jego względną przednio-tylną lub osiową domeną ekspresji w wielu tkankach embrionalnych. Ta właściwość nazywa się kolinearnością i jest konserwatywna u stawonogów i kręgowców; sugeruje to, że mechanizm regulacyjny do kontrolowania przestrzennie ograniczonych domen ekspresji HOX jest ważny punkt w organizacji skupisk tych genów. Uważa się, że geny HOX biorą udział w określaniu przestrzennej organizacji zarodka przy użyciu określonej kombinacji genów (kod HOX) wyrażanej na wszystkich poziomach. Teoria ta jest poparta eksperymentalnymi fenotypami wynikającymi z celowanego zakłócenia ekspresji tych genów w zarodkach kręgowców.

Konserwatyzm w ekspresji i regulacji sugeruje, że sygnały stosowane do ustalenia i utrzymania ekspresji wzorców HOX mogą być również konserwatywne. Po uzyskaniu pewnych danych eksperymentalnych, badania skupiły się na możliwych powiązaniach między kwasem retinowym (RA, PK) a genami HOX. W wyniku wielu badań in vitro wykazano, że geny HOX są regulowane przez indukcję różnicowania komórek przez kwas retinowy. U embrionów PK może wpływać zarówno na wzorce ekspresji nerek w obrębie kończyn, jak i na wzorce ekspresji HOX w kończynach. U wielu kręgowców działanie PK prowadzi do nieprawidłowego wzrostu, różnicowania i modelowania układu nerwowego, komórek grzebienia nerwowego i łuków skrzelowych, co w niektórych przypadkach może korelować ze zmianami w ekspresji HOX.

Tak więc reakcja genów HOX na PK w komórkach hodowanych i embrionalnych, obecność PK wiążącej się z białkami i receptorami zarodków, a także związki fenotypowe między ekspresją PK i HOX sugerują, że geny HOX mogą być celami regulacji generowanej przez PK. Szlaki sygnalizacyjne.

Mutacje w czynnikach transkrypcyjnych szczególnie predysponują do wielu wad rozwojowych, ponieważ ekspresja tych genów regulatorowych zachodzi w różnych tkankach (

Od początku XX wieku społeczeństwo biologów wykorzystało małą muszkę owocową (Drosophila) do przeprowadzenia tysięcy eksperymentów. Studenci biologii pracują z muszkami owocowymi, krzyżując różne gatunki w celu opracowania modeli dziedziczenia. Obecnie istnieją tysiące publikacji poświęconych muszkom owocowym, a dla świeckich biologów jest to istota, która świetnie nadaje się do badania genetyki ewolucyjnej. Ten owad jest używany, ponieważ jest genetycznie stosunkowo prosty. Drosophila ma 4 pary łatwo obserwowalnych chromosomów zawierających tylko 13 000 genów (DNA). V W marcu 2000 roku zidentyfikowano cały genom Drosophila (zestaw genów).

Promieniowanie, takie jak promieniowanie rentgenowskie oraz różne częstotliwości i długości promienie rentgenowskie napromieniowane owady w laboratorium, w wyniku których powstały m.in. anomalie skrzydeł znane jako „bezskrzydłe”, „szczątkowe”, „opadające” itp. Od 1910 roku genetycy zarejestrowali ponad 3000 tych stworzeń, ale jak dotąd czasopisma naukowe nie odnotowali ani jednego przypadku ewolucji Drosophila w cokolwiek innego, bez względu na to, jak bardzo uległy mutacji.

Rzeczywiście, nieżyjący już ewolucjonista Pierre Grasset argumentował: „Drosophila (Drosophila melanogaster), ulubiony owad genetyków, którego genotypy geograficzne, biotypowe, miejskie i wiejskie są obecnie szeroko badane, nie zmieniły się od czasów starożytnych.

Geny jastrzębia (specyficzna sekwencja DNA): brak pomocy w makroewolucji

Kiedy embrion zaczyna się rozwijać, pod kierunkiem genów kontrolnych, obejmujących grupę genów zwanych homebox lub Geny jastrzębia. Genbithorax jest częścią Geny jastrzębia, które po mutacji mogą tworzyć Drosophila z czterema skrzydłami (zazwyczaj mają dwa skrzydła). Mówi się, że „w większości przypadków eksperymentalnie wywołane mutacje w genach homeotycznych wywołują fundamentalne zmiany w [podstawowym projekcie ciała]” a jeden nie-kreacjonista stwierdził:

„Geny kontrolne, takie jak geny homeotyczne, mogą być celem mutacji, które prawdopodobnie zmieniłyby fenotypy, ale należy pamiętać, że im bardziej centralnie dokonuje się zmian w złożonym systemie, tym poważniejsze są konsekwencje obwodowe. Zmiany homeotyczne wywołane w genach muszek owocowych prowadzą jedynie do deformacji, a większość eksperymentów nie przewiduje pojawienia się pszczół z ich elementów strukturalnych (muszki owocowe).

Kilkadziesiąt lat temu przykład „dobrej mutacji” podał biolog z University of Denver podczas dyskusji z autorem. Mutacja dotyczyła genu bithorax, co daje początek nietypowej czteroskrzydłej muszce owocowej. Niestety, ewolucjoniści nie poinformowali słuchaczy, że zdolność muszki owocowej do latania została poważnie osłabiona. Do zrobienia naturalna selekcja z takimi zmutowanymi stworzeniami?

Linki i notatki

Geny homeotyczne - (regulacyjne geny embrionalne) określić procesy wzrostu i różnicowania organizmu roślin i zwierząt; mutacje w nich prowadzą do przekształcenia jednych narządów w inne. (czyli?)

Geny homeotyczne zwierząt zawierają region (homeobox), który jest prawie taki sam u wszystkich gatunków (180 pz = 60 AA). Nazywają się Hox - geny (geny zawierające homeobox).

Geny homeotyczne znajdują się na jednym lub kilku chromosomach, w ciasnych grupach (od 4 (ktenofory) do 48 (ssaki)), w których zachowana jest ścisła kolejność: geny „głowy” znajdują się z przodu, geny „ogonu” powrót. Ich funkcją jest „włączanie” lub „wyłączanie” innych genów. (znaczenie - i dalej podkreślone) Liniowy porządek genów w klastrze odpowiada czasowi lub miejscu operacji genów podczas rozwoju embrionalnego.

Geny Hawkesa znaleziono we wszystkich badanych organizmach (w genomach stułbi, pijawek, nicieni, ryb, ssaków, płazów i gąbek). To starożytne geny, które pojawiły się >1000 milionów lat temu. Komplikacji budowy organizmów towarzyszyło powielanie i rozbieżność ich funkcji.

Pomimo różnorodności budowy kwiatu, jego rozwój jest kontrolowany przez konserwatywne geny homeotyczne.

Dolistna (klasyczna) teoria morfogenezy kwiatów według I.V. Goethego:

Prezentacje: Kwiat jest zmodyfikowaną pędem o skróconych międzywęźlach. Organy kwiatowe to przekształcone liście. Opracowany w pracach: (1790) "Doświadczenie metamorfozy roślin"; (1810) „Nauka o kwiatku”.

Zgodnie z klasyczną, czyli dolistną (od łac. Folium - liść) koncepcją, wyrażoną przez I.V. Goethe (1790), wspierany przez A.P. Decandolle (1813) i inni badacze, wszystkie elementy kwiatu to przeobrażone liście. Dlatego kwiat zdefiniowano jako zmodyfikowany pęd o ograniczonym wzroście, przystosowany do przeprowadzania wszystkich procesów zapewniających rozmnażanie nasion roślin.

Fenotyp potrójnego mutanta jest mocnym dowodem przemawiającym za ulistnioną teorią morfogenezy kwiatów Goethego.

ABC-model rozwoju kwiatów:

Model ABC to nowoczesny paradygmat genetyki rozwojowej. Zgodnie z tym modelem o zróżnicowaniu organów kwiatowych decyduje praca 3 klas genów regulatorowych: geny klasy A odpowiadają za rozwój działek kielicha, wraz z genami klasy B determinują powstawanie płatków, wspólna praca geny klasy B i C prowadzą do rozwoju pręcików, a same geny C kontrolują pojawienie się słupka w środku kwiatu. Geny te kodują czynniki transkrypcyjne, które indukują specjalizację tkanek roślinnych podczas rozwoju.

Następnie dodano jeszcze dwie klasy genów: geny klasy D, które odpowiadają za rozwój jajnika w kwiatku, mutacje w tym genie prowadzą do rozwoju karpi zamiast jajnika, a nadekspresja tych genów prowadzi do tworzenie jajników zamiast działek i płatków; oraz geny klasy E, które kontrolują tożsamość trzech wewnętrznych kręgów.

Kiedy te geny są zaburzone, niektóre części kwiatu zamieniają się w inne (pręciki w płatki lub płatki w działki). Gatunkiem modelowym w tych badaniach był Arabidopsis, u którego znaleziono szereg mutacji homeotycznych, z połączonym działaniem niektórych, z których wszystkie części kwiatu zamieniły się w liście.

Ewolucja [klasyczne idee w świetle nowych odkryć] Markow Aleksander Władimirowicz

Geny Hoxa znalazły wolność - a węże straciły nogi

Hox-geny znalazły wolność - a węże straciły nogi

Na koniec rozważmy badania, które rzucają światło na rolę Hox-geny w ewolucji kręgowców. Jak wiesz, najważniejsza funkcja Hox-geny polegają na tym, że szczegółowo zaznaczają zarodek wzdłuż osi przednio-tylnej. Dalsze przeznaczenie komórki embrionalne uwięzione w jednej lub drugiej części zarodka zależą od zestawu Hox-geny wyrażone w tej części. Dla wszystkich Hox-gen charakteryzuje się własnym obszarem ekspresji. Na przykład geny Hox12 oraz Hox13 z reguły działają tylko w tylnej części zarodka, który później stanie się ogonem; geny Hox10 u niektórych kręgowców działają od tylnego końca zarodka do linii, która stanie się granicą między obszarem piersiowym (gdzie znajdują się żebra na kręgach) a lędźwiową, gdzie żebra się nie rozwijają. " Hox-kod”, który określa plan budowy organizmu, jest złożony i niezupełnie taki sam w różnych grupach kręgowców. Nie ma wątpliwości, że wiele głównych przekształceń ewolucyjnych wpływających na plan budynku było związanych ze zmianami w strukturze i wyrazie. Hox-geny. Wciąż jednak istnieje niewiele dobrze zbadanych przykładów ilustrujących ten związek.

Hox - geny Drosophila i człowieka. Prostokąty geny są wskazane w kolejności, w jakiej są zlokalizowane na chromosomach. Mucha ma jeden zestaw Hox -geny, u ludzi - cztery, częściowo duplikujące się (powstały z jednego w wyniku dwóch pełnych duplikacji genomu). Klastry A, B, C, D zlokalizowane są na różnych chromosomach (u myszy są to chromosomy nr 6, 11, 15 i 2, u ludzi nr y, 17, 2, 12). U węży, w przeciwieństwie do myszy i ludzi, klaster D nie ma 12. genu ( Hoxd12 ). Na obrazach muchy i ludzkiego embrionu obszary ekspresji odpowiednich genów są zabarwione tymi samymi kolorami, co same geny. Według najnowszych danych korespondencja między Hox -geny stawonogów i kręgowców są nieco mniej jednoznaczne niż pokazano na tym schemacie.

U wielu zwierząt, w tym kręgowców, Hox-geny w genomie zlokalizowane są w klastrach, czyli w grupach blisko siebie. Najbardziej zdumiewającą rzeczą jest to, że kolejność genów w Hox- skupiska często (choć nie zawsze) pokrywają się z rozkładem regionów ekspresji wzdłuż osi przednio-tylnej: z przodu znajdują się geny „głowy”, następnie geny odpowiedzialne za tworzenie środkowych części ciała, a gromada jest zamknięta przez „tylne” geny, które kontrolują rozwój tylnych części ciała. Podobno wynika to ze sposobu regulacji wypowiedzi Hox-geny: sekcja DNA, w której Hox- klaster, stopniowo "otwiera się", stając się dostępnym do transkrypcji, gdy przesuwa się od przedniego końca ciała do tyłu. Dlatego na przednim końcu ciała tylko przedni Hox-geny, a im bliżej ogona, tym więcej genów tylnych jest włączonych do pracy. Wygodny sposób na regulację genów odpowiedzialnych za znakowanie zarodka wzdłuż osi przednio-tylnej!

Przodkowie kręgowców, podobnie jak współczesny lancet, mieli jeden w genomie Hox-klaster zawierający 14 genów. Na wczesne stadia W ewolucji kręgowców wystąpiły dwie duplikacje całego genomu. W rezultacie kręgowce uzyskały cztery Hox- klaster zamiast jednego. Otworzyło to ogromne możliwości ewolucyjne dla kręgowców (patrz rozdział 5). Wybrany Hox-geny w niektórych skupieniach zostały utracone, ale ogólnie ich zestaw i układ pozostały takie same we wszystkich czterech skupieniach. Geny paralogiczne (tj. kopie tego samego Hox-geny w różnych Hox-klastrów) uzyskały nieco inne funkcje, co umożliwiło precyzyjną regulację rozwój zarodkowy i ułatwił opracowywanie nowych planów budowlanych.

Prace przebadali biolodzy ze Szwajcarii, Nowej Zelandii i Stanów Zjednoczonych Hox-geny u łuskowatych gadów (oderwanie) Squamata) (Di-Poi i in., 2010). Ta kolejność, łącząca jaszczurki i węże, jest interesująca ze względu na różnorodność planów konstrukcyjnych i zmienność cech związanych z przednio-tylnym zróżnicowaniem ciała (względna długość części ciała, liczba w nich kręgów itp.). logiczne było założenie, że Hox- łuskowate klastry powinny mieć określone cechy i to Hox Geny jaszczurek i węży muszą być inne.

Wykazano wcześniej, że obszary ekspresji przednich Hox-geny u węży rozszerzyły się z tyłu w porównaniu z innymi kręgowcami. Jest to zgodne z ogólnym wydłużeniem ciała. Ponadto stwierdzono, że u węży ściśle przestrzegana jest zasada kolinearności (tj. taka sama kolejność genów w skupisku i regiony ich ekspresji w zarodku).

Badacze skupili się na tyłach Hox-geny (od 10 do 13). Głównym przedmiotem badań była jaszczurka biszkoptowa. Aspidoscelis uniparens i wąż kukurydziany Elaphe guttata... Ponadto zostały zsekwencjonowane Hox- skupiska kilku innych jaszczurek, hatterii i żółwi. Dla porównania użyliśmy Hox- skupiska kurczaka, człowieka, myszy i żaby.

Zestaw tylny Hox-geny u wszystkich badanych gatunków okazały się takie same, z wyjątkiem tego, że węże i żaby „zgubiły” gen Hoхd12(12. Hox-gen z klastra D). Znaczące zmiany stwierdzono w obszarach regulacyjnych Hox- klastry. Okazało się, że wszystkie gady łuskowate utraciły region regulacyjny między genami Hoхd13 oraz Zwx2, a węże również straciły konserwatywny element niekodujący pomiędzy Hoхd12 oraz Hoхd13 i niektóre obszary regulacyjne w innych Hox- klastry. Nieoczekiwanym rezultatem była obecność w Hox- skupiska łuskowatego zestawu osadzonych ruchomych elementów genetycznych. W rezultacie całkowita długość tyłu Hox-gromady w łuskonośnych znacznie się rozrosły w porównaniu z innymi kręgowcami lądowymi.

Wszystko to zdaje się wskazywać na osłabienie ograniczeń ewolucyjnych, które uniemożliwiają kumulację zmian w tylnej części skali. Hox- klastry. Selekcja oczyszczająca, odrzucająca podobne zmiany u innych kręgowców, była mniej skuteczna w ewolucji jaszczurek i węży. Wniosek ten został potwierdzony podczas analizy regionów kodujących. Hox-geny. Na tych terenach jaszczurki, a zwłaszcza węże, zgromadziły wiele znaczących substytucji w porównaniu z innymi kręgowcami. Niektóre z nich zostały najwyraźniej utrwalone przypadkowo, ze względu na osłabienie doboru oczyszczającego, podczas gdy inne zostały utrwalone pod wpływem doboru pozytywnego, czyli były użyteczne.

Badanie charakteru wyrazu tyłu Hox-geny w embrionach jaszczurek i węży potwierdziły przypuszczenie, że zmiany w planie strukturalnym w ewolucji łuskowatych Hox-geny.

U jaszczurki, podobnie jak u innych kręgowców lądowych, czołowa krawędź obszaru ekspresji genów Hoxa10 oraz Hoxc10 dokładnie odpowiada granicy między obszarami piersiowymi i lędźwiowymi. Jedną z funkcji tych genów jest hamowanie rozwoju żeber. Węże nie mają odcinka lędźwiowego, a na dawnych kręgach krzyżowych (w wężach nazywane są kręgami kloakalnymi) znajdują się specjalne rozwidlone żebra. Najwyraźniej te cechy są związane z faktem, że Hox-geny przodków węży utraciły zdolność do powstrzymywania wzrostu żeber.

Obszar wyrażenia Hoxa10 oraz Hoxc10 w wężu sięga daleko w okolice klatki piersiowej. Te geny są również odpowiedzialne za terminowe zakończenie wzrostu regionu piersiowego. Najwyraźniej ta ich funkcja jest również u węży osłabiona, co mogło być jedną z przyczyn wydłużenia odcinka piersiowego u węży w porównaniu z ich przodkami – jaszczurkami. Wydłużenie odcinka ogona u węży wynika z faktu, że z czterech genów, które „hamują” wzrost ogona u jaszczurek ( Hoxa13, Hoxc13, Hoxd13, Hoxd12) jeden gen u węży jest całkowicie stracony ( Hoxd12), a pozostałe dwa ( Hoxa13, Hoxd13) nie biorą udziału w przednio-tylnym „znakowaniu” zarodka i są używane tylko w tworzeniu genitaliów.

Liczne przypadki samoistnej utraty i częściowej redukcji kończyn u łuskowatych można również wiązać z faktem, że w tej kolejności tylny Hox-geny otrzymały ewolucyjną „wolność” nietypową dla innych zwierząt. Osłabiła się na nich selekcja oczyszczająca, co umożliwiło szybką akumulację mutacji.

Tylne obszary ekspresji Hox -geny u jaszczurek i węży. U jaszczurki, przed kręgiem ogonowym, znajdują się dwa kości krzyżowe(pokazany w kolorze ciemnoszarym) a następnie jeden podstawowy kręg lędźwiowy(Biały) , a następnie kręgi piersiowe idą(szary) ... Wąż nie ma odcinka lędźwiowego, a zamiast krzyżowego są cztery kręgi kloakalne z rozwidlonymi żebrami(ciemny szary) . Pionowe prostokąty ukazanie obszarów ekspresji tylnej Hox -geny. Z Di-Poi i in., 2010 .

Wiadomo, że tył Hox-geny odgrywają kluczową rolę nie tylko w projektowaniu tylnych części tułowia, ale także w rozwoju kończyn. Dlatego niektóre mutacje w tych genach, prowadzące np. do wydłużenia ciała lub redukcji odcinka lędźwiowego kręgosłupa, teoretycznie mogą prowadzić do takich skutków ubocznych jak redukcja kończyn. Wydłużenie ciała w połączeniu z redukcją kończyn występuje również u innych grup kręgowców (np. u niektórych płazów). Czy było to spowodowane tymi samymi zmianami w pracy? Hox-geny, jak u węży, czy u innych, pokażą dalsze badania.

Ewolucyjna biologia rozwojowa to szybko rozwijająca się dyscyplina, od której należy oczekiwać przełomowych odkryć naukowych. Rozszyfrowanie sieci regulacyjnych genów, które rządzą rozwojem, jest jednym z najpilniejszych zadań biologii. Jego rozwiązanie pozwoli nam zrozumieć nie tylko związek między genotypem a fenotypem, ale także najważniejsze zasady i wzorce ewolucji złożonych organizmów. Kiedy te reguły, znane nam dzisiaj tylko ogólnie, zostaną gruntownie przestudiowane, aż do budowy rygorystycznych modeli matematycznych, przed ludzkością otworzą się niespotykane dotąd możliwości. Projektowanie od podstaw systemy biologiczne z właściwościami, których potrzebujemy - tylko jedną z nich. Drugi to kultywacja własnej natury. Wszystko to będzie. Trzeba tylko jasno zrozumieć, do jakich celów przyszła ludzkość tego potrzebuje i mieć nadzieję, że kulturowy, społeczny i moralno-etyczny rozwój ludzkości do tego czasu wykluczy możliwość wykorzystania tych odkryć na szkodę.

Węże morskie Około 350 milionów lat temu, oddychający powietrzem krewniak celakanta, celakant, wynurzył się z wody na swoich niezgrabnych płetwach o skrzyżowanych płetwach i stał się pierwszym kręgowcem żyjącym na lądzie. Rozprzestrzeniły się tam już rośliny i bezkręgowce, które przeniknęły z