З дня свого відкриття в 1984 році гомеобокс-гени, що містять, привертають увагу молекулярних біологів, біохіміків, генетиків, ембріологів та еволюційних біологів Цей повсюдний інтерес відбиває той факт, що гени гомеобоксу є першою очевидною зв'язок між усіма переліченими вище областями.

Гомеобокс-гени, що містять, визначаються за наявністю характерної послідовності ДНК довжиною 183 пари нуклеотидів (гомеобоксу), що кодує відносно консервативну ділянку білка довжиною 61 а.о. (Гомеодомен). Важливо розуміти, що послідовності гомеодоменів далекі від сталості; таким чином, процедура визначення гомеодомену в межах амінокислотної послідовності не завжди проста. Зазвичай гомеодомени ідентифікуються за наявності трьох потенційних альфа-спіральних ділянок, кількох інваріантних амінокислотних залишків, а також високого рівнягомології з раніше охарактеризованими гомеодоменами Інші варіабельні ділянки є дві потенційні альфа-спіралі в C-кінцевій області домену, які, як припускають, відповідальні за специфічність зв'язування з ДНК та подальшу регуляцію генів-мішеней. У ссавців чотири кластери гомеобокс-генів.

Кластери HOX - висококонсервативна група генів, еволюційно споріднених HOX-генам дрозофіли Antennapedia-like HOX genes та комплексам Bithorax. Детальний аналізпатернів експресії генів членів всіх чотирьох кластерів HOX показав, що домени експресії генів просторово обмежені різних областяхембріона. Важливою рисою цих комплексів гомеобоксів є лінійна кореляціяміж положенням гена в кластері HOX та його відносним передньо-заднім або аксіальним доменом експресії у багатьох ембріональних тканинах. Ця властивість називається коллінеарністю і є консервативною у членистоногих та хребетних; це дозволяє припустити, що регуляторний механізм керування просторово обмежених доменів експресії HOX є важливим моментому створенні кластерів цих генів. Вважається, що гени HOX беруть участь у детермінації просторової організації ембріона за допомогою специфічної комбінації генів (коду HOX), що експресуються на всіх рівнях. Ця теорія підтверджується експериментальними фенотипами, що виникають при спрямованому порушенні експресії цих генів в хребетних ембріонах.

Консерватизм в експресії та регуляції дозволяє припустити, що сигнали, що використовуються для встановлення та підтримки експресії патернів HOX, також можуть бути консервативними. Після отримання низки експериментальних даних дослідження були зосереджені на можливих зв'язках між ретиноєвою кислотою (RA, РК) та генами HOX. В результаті багатьох досліджень in vitro було показано, що гени HOX регулюються шляхом індукції диференціювання клітин ретиноєвою кислотою. В ембріонах РК може впливати як на патернізацію нирки кінцівки, так і на патерни експресії HOX у кінцівках. У цілого ряду хребетних дія РК призводить до аномального зростання, диференціювання та патернізації нервової системи, нервового гребеня (Neural crest cells) та зябрових дуг, що в деяких випадках може корелювати зі змінами в експресії HOX.

Таким чином, реакція генів HOX на РК у клітинах культур та ембріонів, присутність РК, що зв'язується з білками та рецепторами ембріонів, а також фенотипічні зв'язки між РК та експресією HOX дозволяють припустити, що гени HOX можуть бути мішенями регуляції, що породжується сигнальними шляхами.

Мутації факторів транскрипції особливо привертають до множинних вад розвитку, тому що експресія цих генів-регуляторів має місце в різних тканинах.

З початку 1900-х з суспільство біологів використовувало маленьку дрозофілу (Drosophila) для проведення тисячі експериментів. Студенти на уроках біології працюють із дрозофілами, схрещуючи різні різновиди, щоб виробити моделі спадковості. На сьогоднішній день існує тисячі публікацій, присвячені дрозофілам, і для світських біологів це істота, яка відмінно підходить для дослідження еволюційної генетики. Цю комаху використовують тому, що вона генетично відносно проста. Дрозофіли мають 4 пари легко спостерігаються хромосом, що містять лише 13 000 генів (ДНК). Вберезні 2000 року було визначено весь геном дрозофіли (сукупність генів).

Випромінювання як, наприклад, рентгенівські промені, а різні частоти та довжина рентгенівських променівопромінювали комах у лабораторії, у результаті вироблялися, наприклад, аномалії крил, відомі як «безкрилі», «рудиментарні», «опущені», тощо. З 1910 р. генетики зафіксували понад 3000 у цих істотах, але поки що наукові журналине зафіксували жодного випадку, щоб дрозофіла еволюціонувала в будь-що ще, незалежно від того, як сильно вони мутували.

Справді, покійний еволюціоніст П'єр Грассе стверджував: «Дрозофіла (Drosophila melanogaster), улюблена комаха генетиків, чиї географічні, біотипні, міські та сільські генотипи вивчені зараз вздовж і впоперек, не змінилася з давніх-давен».

Гени-хокс (специфічна послідовність ДНК): жодної допомоги макроеволюції

Коли ембріон починає розвиватися, план його тіла розкривається під керівництвом контрольних генів, що включають групу генів, яка називається гомеобоксомабо хокс генами.Генbithorax є частиною хокс-генів, який після мутації може утворити дрозофілу із чотирма крилами (зазвичай у них два крила). Кажуть, що «у більшості випадків експериментально спровоковані мутації в гомеотичних генах роблять корінні зміни в [основному дизайні тіла]», і один некреаціоніст заявив:

«Контролюючі гени, такі як гомеотичні гени, можуть служити мішенню для мутацій, які, можливо, змінили б фенотипи, але треба пам'ятати, що чим центральніші відбуваються зміни в складній системі, тим важчі периферійні наслідки. Гомеотичні зміни, викликані в генах дрозофіл, призводять тільки до потворності, а більшість експериментів не очікують побачити виникнення бджоли від їх (дрозофілу) конструктивних елементів».

Десятки років тому приклад «хорошої мутації» наведено біологом Денверського університету під час дискусії з автором. Мутація залучала ген bithorax, що породжує атипову дрозофілу з чотирма крилами На жаль, еволюціоністи не повідомили слухачам, що вміння дрозофіли літати було дуже пошкоджене. Що б зробив природний відбірз такими істотами, що мутували?

Посилання та примітки

Гомеозні гени - (регуляторні ембріональні гени) визначають процеси зростання та диференціювання організму у рослин та тварин; мутації у яких призводять до перетворення одних органів на другие.(значение?)

Гомеозисні гени тварин містять ділянку (гомеобокс) майже однакову у всіх видів (180 п.н. = 60 АК). Їх називають Hox («хокс»)-гени (гомеобокс-гени, що містять).

Гомеозисні гени розташовуються на одній або декількох хромосомах, тісними групами (від 4-х (гребневики) до 48 (ссавці)), усередині яких зберігається строгий порядок: «головні» гени попереду, «хвостові» - ззаду. Їхня функція полягає у «включенні» або «вимкненні» інших генів. (значення – і далі підкреслено)Лінійний порядок генів усередині кластера відповідає часу або місцю роботи гена під час ембріонального розвитку.

Хокс-гени знайдено у всіх досліджених організмів (у геномах гідр, п'явок, нематод, риб, ссавців, амфібій, губок). Це древні гени, що з'явилися >1000 млн. років тому. Ускладнення будови організмів супроводжувалося дуплікацією та дивергенцією їх функції.

Незважаючи на різноманітність структури квітки, його розвиток контролюється консервативними гомеозними генами.

Фоліарна (класична) теорія морфогенезу квітки І.В.Гете:

Презентації: Квітка – видозмінена втеча з укороченими міжвузлями. Органи квітки – перетворене листя. Розвинув у працях: (1790 р.) «Досвід про метаморфоз рослин»; (1810г.) «Вчення про квітку».

Відповідно до класичної, чи фоліарної (від латів. folium – лист) концепції, висловленої ще І.В. Гете (1790), підтриманою А.П. Декандоллем (1813) та іншими дослідниками, всі елементи квітки є метаморфізованим листям. Тому квітка визначали як видозмінена втеча з обмеженим зростанням, пристосована для здійснення всіх процесів, що забезпечують насіннєве розмноження рослин.

Фенотип потрійного мутанта – переконливе свідчення на користь фоліарної теорії морфогенезу квітки Ґете.

АВС-модель розвитку квітки:

АВС-модель - сучасна парадигма генетики розвитку. Відповідно до цієї моделі диференціація органів квітки визначається роботою 3 класів регулюючих генів: гени класу А відповідають за розвиток чашолистків, у сумі з генами класу В вони визначають формування пелюсток, спільна роботаГенів класу В і С веде до розвитку тичинок, а гени С самі по собі контролюють появу маточки в центрі квітки. Ці гени кодують фактори транскрипції, що викликають спеціалізацію тканин рослини у процесі розвитку.

Згодом були додані ще два класи генів: гени класу D, які відповідають за розвиток зав'язі в квітці, мутації за цим геном призводять до розвитку плодолистків замість зав'язі, а надекспресія цих генів - до формування зав'язей замість чашолистків та пелюсток; та гени класу E, які контролюють ідентичність трьох внутрішніх кіл.

При порушенні роботи цих генів одні частини квітки перетворюються на інші (тичинки на пелюстки або пелюстки на чашолистки). Модельним видом у цих дослідженнях був арабідопсис, у якого було виявлено ряд гомеозисних мутацій, при спільній дії деяких з яких усі частини квітки перетворювалися на листя.

Еволюція [Класичні ідеї у світлі нових відкриттів] Марков Олександр Володимирович

Hox-гени здобули свободу - і змії втратили ноги

Hox-гени здобули свободу - і змії втратили ноги

Насамкінець розглянемо дослідження, що проливає світло на роль Hox-генів в еволюції хребетних Як відомо, найважливіша функція Hox-генів у тому, що вони докладно розмічають ембріон вздовж передньо-задньої осі. Подальша доляембріональних клітин, що опинилися в тій чи іншій частині ембріона, залежить від набору Hox-генів, що експресуються в цій частині. Для кожного Hox-Гена характерна своя область експресії. Наприклад, гени Hox12і Hox13зазвичай працюють тільки в задній частині ембріона, яка надалі стане хвостом; гени Hox10у деяких хребетних працюють від заднього кінця ембріона до тієї межі, яка стане межею між грудним відділом (де на хребцях є ребра) та поперековим, де ребра не розвиваються. « Hox-код», що визначає план будови організму, складний і не зовсім однаковий у різних груп хребетних. Навряд чи можна сумніватися в тому, що багато великих еволюційних перетворень, що зачіпають план будови, були пов'язані зі змінами в структурі та експресії. Hox-генів. Однак добре вивчених прикладів, що ілюструють цей зв'язок, поки що небагато.

Hox -гени дрозофіли та людини.Прямокутниками позначені гени в тому порядку, в якому вони розташовані у хромосомах. У мухи один набір Hox -Генів, у людини - чотири, частково дублюючі один одного (вони утворилися з одного в результаті двох повногеномних дуплікацій). Кластери A, B, C, D знаходяться на різних хромосмоках (у миші це хромосоми № 6, 11, 15 і 2, у людини - № у, 17, 2, 12). У змій, на відміну миші і людини, в кластері D відсутній 12-й ген ( Hoxd12 ). На зображеннях мухи та зародка людини області експресії відповідних генів пофарбовані тими самими кольорами, що й самі гени. За останніми даними, відповідність між Hox -генами членистоногих та хребетних дещо менш однозначно, ніж показано на цій схемі.

У багатьох тварин, у тому числі у хребетних, Hox-гени в геномі розташовуються кластерами, тобто групами впритул один одному. Найдивовижніше, що порядок розташування генів у Hox-кластерах часто (хоча і не завжди) збігаються з розподілом областей експресії вздовж передньо-задньої осі: попереду знаходяться «головні» гени, за ними слідують гени, що відповідають за формування середніх ділянок тіла, а замикають кластер «задні» гени, що управляють розвитком задніх частин тулуба. Очевидно, це пов'язано зі способом регуляції експресії Hox-генів: ділянка ДНК, де знаходиться Hox-Кластер, поступово «розкривається», стаючи доступним для транскрипції в міру руху від переднього кінця тіла до заднього. Тому у переднього кінця тіла експресуються лише передні. Hox-гени, чим ближче до хвоста, тим паче задні гени входять у роботу. Зручний спосіб регулювання генів, відповідальних за розмітку ембріона вздовж передньо-задньої осі!

У предків хребетних, як у сучасного ланцетника, у геномі був один Hox-Кластер, що включає 14 генів. На ранніх етапахУ еволюції хребетних відбулися дві повногеномні дуплікації. В результаті хребетні придбали чотири Hox-Кластери замість одного. Це відкрило перед хребтом великі еволюційні можливості (див. розділ 5). Окремі Hox-Гени в деяких кластерах були втрачені, але в цілому їх набір і порядок розташування залишився подібним у всіх чотирьох кластерах. Паралогічні гени (тобто копії одного й того ж Hox-гена в різних Hox-кластерах) придбали трохи різні функції, що дало можливість тонко регулювати ембріональний розвитокта полегшив розвиток нових планів будови.

Біологи зі Швейцарії, Нової Зеландії та США вивчили роботу Hox-генів у лускатих рептилій (загін Squamata) (Di-Poi et al., 2010). Цей загін, що об'єднує ящірок і змій, цікавий різноманітністю планів будови та варіабельністю ознак, пов'язаних з передньо-заднім диференціюванням тулуба (відносна довжина відділів тіла, число хребців у них тощо). Тому логічно було припустити, що Hox-Кластери лускатих повинні володіти специфічними особливостями і що Hox-гени ящірок та змій повинні відрізнятися.

Раніше було показано, що області експресії передніх Hox-гени у змій розширилися в задньому напрямку в порівнянні з іншими хребетними. Це добре узгоджується із загальним подовженням тіла. Крім того, було встановлено, що правило колінеарності (тобто однаковий порядок розташування генів у кластері та областей їх експресії в ембріоні) у змій суворо дотримується.

Дослідники зосередилися на задніх Hox-генах (від 10-го до 13-го) Головними об'єктами дослідження були хлистохвоста ящірка Aspidoscelis uniparensі маїсовий полоз Elaphe guttata. Крім того, були відсеквеновані Hox-Кластери кількох інших ящірок, гаттерії та черепахи. Для порівняння використовувалися Hox-кластери курки, людини, миші та жаби.

Набір задніх Hox-генів у всіх досліджених видів виявився однаковим, якщо не вважати того, що у змій та жаб «загубився» ген Hoхd12(12-й Hox-ген із кластера D). Важливі зміни було виявлено у регуляторних ділянках Hox-кластерів. Виявилося, що всі лускаті рептилії втратили регуляторну ділянку між генами. Hoхd13і Evх2, а змії також втратили консервативний некодуючий елемент між Hoхd12і Hoхd13та деякі регуляторні ділянки в інших Hox-Кластери. Несподіваним результатом виявилася присутність у Hox-кластерах лускатих безлічі вбудованих мобільних генетичних елементів В результаті загальна довжина задньої частини Hox-кластерів у лускатих значно виріс порівняно з іншими наземними хребетними.

Все це, мабуть, говорить про те, що у лускатих ослабли еволюційні обмеження, що перешкоджають накопиченню змін у задній частині. Hox-кластерів. Очищаючий відбір, що відбраковує подібні зміни в інших хребетних, в еволюції ящірок та змій діяв менш ефективно. Цей висновок підтвердився і в ході аналізу ділянок, що кодують Hox-генів. У цих ділянках у ящірок, і особливо у змій, порівняно з іншими хребетними, накопичилося багато значних замін. Одні з них, мабуть, зафіксувалися випадково, через ослаблення відбору, тоді як інші закріпилися під дією позитивного відбору, тобто були корисними.

Вивчення характеру експресії задніх Hox-генів у ембріонів ящірки та полоза підтвердило припущення про те, що зміни плану будови в еволюції лускатих були тісно пов'язані зі змінами у роботі задніх Hox-генів.

У ящірки, як і в інших наземних хребетних, передній край експресії генів Hoxa10і Hoxc10в точності відповідає межі між грудним та поперековим відділами. Однією з цих генів є придушення розвитку ребер. У змій немає поперекового відділу, а на колишніх крижових хребцях (у змій вони називаються клоакальними) є спеціальні роздвоєні ребра. Очевидно, ці особливості пов'язані з тим, що Hox-Гени у предків змій втратили здатність зупиняти зростання ребер.

Область експресії Hoxa10і Hoxc10у полоза заходить далеко у грудний відділ. Ці гени відповідають також за своєчасне припинення зростання грудного відділу. Мабуть, ця їхня функція у змій теж ослаблена, що могло бути однією з причин подовження грудного відділу у змій порівняно з їхніми предками - ящірками. Подовження хвостового відділу у змій пов'язано з тим, що з чотирьох генів, що «гальмують» зростання хвоста у ящірок. Hoxa13, Hoxc13, Hoxd13, Hoxd12) один ген у змій повністю втрачено ( Hoxd12), а два інших ( Hoxa13, Hoxd13) не беруть участь у передньо-задній «розмітці» ембріона і використовуються лише у формуванні статевих органів.

Численні випадки незалежної втрати та часткової редукції кінцівок у лускатих теж можуть бути пов'язані з тим, що в цьому загоні задні Hox-гени отримали нетипову інших тварин еволюційну «свободу». На них став слабшим діяти очищаючий відбір, що дозволило швидко накопичувати мутації.

Області експресії задніх Hox -генів у ящірки та змії. У ящірки перед хвостовими хребцями розташовані два крижові(показані темно-сірим кольором) , потім слідує один рудиментарний поперековий хребець(білий) , а далі йдуть грудні хребці(сірі) . У змії немає поперекового відділу, а замість крижових є чотири клоакальні хребці з роздвоєними ребрами(темно-сірі) . Вертикальними прямокутниками показані області експресії задніх Hox -генів. З Di-Poi et al., 2010 .

Відомо, що задні Hox-гени грають ключову роль у оформленні задніх відділів тулуба, а й у розвитку кінцівок. Тому деякі мутації цих генів, що ведуть, наприклад, до подовження тіла або редукції поперекового відділу, теоретично можуть призводити і до таких побічних ефектів, як редукція кінцівок. Подовження тіла в поєднанні з редукцією кінцівок зустрічається і в інших хребетних групах (наприклад, у деяких амфібій). Чи це було пов'язано з такими ж змінами в роботі Hox-Генов, як у змій, або з іншими, покажуть подальші дослідження

Еволюційна біологія розвитку - дисципліна, що швидко розвивається, від якої слід очікувати найважливіших наукових проривів. Розшифровка генно-регуляторних мереж, що управляють розвитком, - одне з найнагальніших завдань біології. Її рішення дозволить зрозуміти як співвідношення між генотипом і фенотипом, а й найважливіші правилата закономірності еволюції складних організмів. Коли ці правила, відомі нам сьогодні лише загалом, будуть вивчені досконально, аж до побудови суворих математичних моделей перед людством відкриються небувалі можливості. Проектування «з чистого листа» біологічних системз потрібними нам властивостями – лише одна з них. Інша – вдосконалення нашої власної природи. Все це буде. Потрібно лише чітко усвідомити, для яких цілей це потрібно майбутньому людству, і сподіватися, що культурний, соціальний та морально-етичний розвиток людства на той час виключить можливість використання цих відкриттів на шкоду.

Морські змії Близько 350 млн років тому димоходив повітря родич цілантата – латимерій видерся з води на своїх незграбних кістеперих плавцях і став першим хребетним, який почав жити на суші. Рослини і безхребетні вже встигли поширитись там, проникнувши з