Genes homeóticos

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Genes homeóticos  (o genes homeóticos ): genes que determinan los procesos de crecimiento y diferenciación en el cuerpo. Los genes homeóticos codifican factores de transcripción que controlan los programas para la formación de órganos y tejidos [1] .

Las mutaciones en los genes homeóticos pueden hacer que una parte del cuerpo se transforme en otra. Los mutantes homeóticos son aquellos organismos en los que se desarrolla un órgano de un tipo diferente en lugar de un órgano. Por ejemplo, en Drosophila , cuando la antenapedia está mutada , se forma una extremidad en lugar de la antena .

Los genes homeóticos controlan el trabajo de otros genes y determinan la transformación de partes aparentemente indistinguibles del embrión o de un determinado órgano (tejido, parte del cuerpo). En particular, los genes homeóticos controlan la aparición de diferencias en segmentos de animales multicelulares en el desarrollo embrionario temprano. En los insectos, los genes homeóticos juegan un papel clave en la determinación de las características estructurales de los segmentos embrionarios y las estructuras sobre ellos (patas, antenas, alas, ojos).

Los genes homeóticos de los animales pertenecen a la familia de los genes Hox . Sin embargo, no todos los genes de esta familia son homeóticos. Así, en Drosophila, los genes Hox del complejo Antennapedia incluyen los genes zerknullt, zerknullt2, bicoid y fushi tarazu, que no son homeóticos. [2]

También existe la familia de genes ParaHox . Hay seis genes ParaHox en el genoma humano (GSX1, GSX2, PDX1 , CDX1 , CDX2 , CDX4 ), de los cuales tres genes (GSX1, PDX1 (=IPF1), CDX2) forman un grupo en el cromosoma 13 [3] .

En las plantas también se conocen procesos controlados por genes homeóticos: la filotaxis, el desarrollo de flores e inflorescencias.

Animales

Homeobox

Los genes homeóticos contienen una homeocaja , una secuencia de 180  pares de bases de ADN que forma un homeodominio en la proteína codificada .

El dominio homeo se descubrió por primera vez en la composición de genes que controlan el desarrollo y, en particular, en la composición de genes homeóticos , en Drosophila. Sin embargo, muchos genes que contienen una homeobox no son homeóticos. Así, homeobox es una secuencia específica de nucleótidos, mientras que la homeosis es el potencial para la formación de una mutación homeótica. [cuatro]

La secuencia de nucleótidos en el homeobox está altamente conservada. La equivalencia funcional de las proteínas homeóticas puede demostrarse por el hecho de que el desarrollo de la mosca con los correspondientes genes homeóticos del pollo transcurre normalmente. [5] Aunque el ancestro común del pollo y la mosca existió hace unos 670 millones de años, [6] los genes homeóticos de los pollos son similares a los de las moscas en la medida en que pueden reemplazarse entre sí.

Debido a la degeneración del código genético , la secuencia de residuos de aminoácidos en las proteínas es más conservadora que la secuencia de nucleótidos en el ADN, ya que diferentes codones pueden codificar un aminoácido . Una sola mutación en el ADN de los genes homeóticos puede provocar cambios sorprendentes en un organismo (ver mutaciones homeóticas ).

Homeodominio

Los productos proteicos de los genes homeóticos pertenecen a una clase especial de proteínas llamadas factores de transcripción que se unen al ADN y regulan la transcripción génica . La secuencia del homeodominio consta de 60 residuos de aminoácidos. En Drosophila, el producto proteico del gen homeótico de Antennapedia activa genes que determinan la estructura del segundo segmento torácico que contiene patas y alas y reprime genes implicados en la formación de ojos y antenas. [7] Los genes que están regulados por proteínas que contienen homeobox se denominan genes realizadores y son los productos proteicos de genes de polaridad de segmento que codifican proteínas específicas de tejidos y órganos.

Secuencias potenciadoras que se unen al homeodominio

La secuencia de ADN a la que se une el homeodominio contiene la secuencia de nucleótidos TAATen el extremo 5' y Tes la más importante para la unión. [8] Esta secuencia de nucleótidos se conserva en casi todos los sitios de unión del homeodominio . Dado que muchas proteínas que contienen homeodominio tienen los mismos sitios de reconocimiento, los pares de bases que siguen a esta secuencia iniciadora se utilizan para distinguir entre estas proteínas. Por ejemplo, la secuencia de nucleótidos es luego TAATreconocida por el noveno aminoácido de la proteína que contiene el homeodominio. La proteína codificada por el gen del efecto materno, Bicoid , contiene un residuo de lisina en esta posición que sirve para reconocer y unirse a la guanina . En la proteína Antennapedia , esta posición contiene glutamina , que reconoce y se une a la adenina . Si el residuo de lisina en la proteína Bicoid se reemplaza con glutamina, la proteína alterada reconocerá los sitios potenciadores específicos de Antennapedia. [9] [10]

genes Hox

Los genes Hox están ubicados en uno o varios (hasta cuatro) cromosomas, generalmente en grupos cerrados (clusters), dentro de los cuales se conserva un orden más o menos estricto: los genes de la "cabeza" están al frente, los genes de la "cola" están detrás . En los representantes más primitivos de los organismos multicelulares, como los ctenóforos (Ctenophora) y los celenterados (Cnidaria), solo hay cuatro de estos genes reguladores embrionarios, en los mamíferos ya hay 48.

La familia de genes Hox se divide en 14 clases. Se cree que estas 14 clases surgieron por la duplicación de uno o algunos de los genes originales, luego las réplicas mutan y asumen nuevas funciones. Los celenterados y ctenóforos primitivos tienen solo 4 clases de genes Hox, el ancestro común putativo de los animales bilateralmente simétricos debería haber tenido al menos 8 de ellos, y las 14 clases están presentes en los mamíferos. El principio de funcionamiento de estos genes es el mismo. Sus productos son factores de transcripción cuya función es "activar" o "desactivar" otros genes. Como resultado del trabajo de los factores Hox, se inicia una cascada de reacciones que conducen a la aparición de las proteínas necesarias en la célula.

Durante la última década, las secuencias de ADN de los genes Hox se han descifrado en muchos grupos de animales: anélidos, platelmintos, equinodermos, nematodos, artrópodos, tunicados, lancetas, sin mencionar los mamíferos.

Reglamento

Los genes homeóticos regulan el trabajo de los genes implementadores y, a su vez, están regulados por los genes gap y pair-regla , que están bajo el control de las proteínas morfógenas de varios genes de efecto materno . Esto da como resultado una cascada de factores de transcripción : los genes de efecto materno incluyen los genes gap y pair-regla; los genes gap y pair-regla incluyen genes homeóticos; finalmente, los genes homeóticos incluyen genes realizadores que conducen a la segmentación y diferenciación del embrión.

Dicha regulación se lleva a cabo mediante gradientes de concentración de proteínas morfógenas. Una alta concentración de una de las proteínas maternas y una baja concentración de otras incluye un cierto conjunto de genes de reglas de pares y brechas. En las moscas, la segunda banda de expresión del gen del embrión parejo es activada por las proteínas maternas Bicoid y Hunchback y reprimida por las proteínas gap Giant y Kruppel [11] .

Las moléculas de microARN en los grupos de hox inhiben más fuertemente los genes homeóticos anteriores, probablemente para una regulación más precisa de su expresión. [12]

Los ARN no codificantes (ncRNA) están ampliamente distribuidos en grupos de genes homeóticos . Uno de los genes de ARN no codificantes en humanos, HOTAIR, reduce el nivel de transcripción de genes homeóticos (se transcribe del grupo HOXC e inhibe los genes HOXD tardíos) al unirse a las proteínas del grupo Polycomb (PRC2). [13]

La estructura de la cromatina es esencial para la transcripción , pero también se requiere un bucle fuera de los territorios cromosómicos donde se encuentra el grupo. [14] La PCR cuantitativa mostró algunos patrones de colinealidad: el sistema está en equilibrio y el número total de transcritos depende del número de genes presentados en una secuencia lineal. [quince]

Mutaciones homeóticas

Los errores en la expresión de genes homeóticos conducen a cambios importantes en la morfología del individuo. Las mutaciones homeóticas fueron descritas por primera vez en 1894 por William Batson , quien describió la aparición de estambres en lugar de pétalos.

A fines de la década de 1940, en una planta modelo de Drosophila melanogaster , Edward Lewis estudió mutaciones homeóticas que llevaron a la formación de órganos extraños. Las mutaciones en los genes implicados en el desarrollo de las extremidades pueden provocar deformidades o incluso la muerte. Por ejemplo, las mutaciones en el gen Antennapedia conducen a la formación de extremidades en la cabeza de la mosca en lugar de las antenas. [dieciséis]

Otro ejemplo bien conocido en Drosophila es una mutación en el gen homeótico Ultrabithorax , que determina el desarrollo del tercer segmento torácico. Por lo general, este segmento tiene un par de patas y un par de halteres (alas reducidas). En los mutantes que no tienen una proteína Ultrabithorax funcional, el tercer segmento desarrolla las mismas estructuras que el segundo segmento torácico, que tiene un par de extremidades y un par de alas completamente desarrolladas. Estos mutantes a veces se encuentran en poblaciones silvestres de moscas de la fruta, y el estudio de tales mutantes ha llevado al descubrimiento de genes animales homeóticos.

Colinealidad

Los genes homeóticos en los cromosomas de muchos animales están ubicados muy cerca unos de otros, formando grupos. Al mismo tiempo, se observa colinealidad en Drosophila: la secuencia de genes en el cromosoma corresponde a la secuencia de su expresión a lo largo del eje anterior-posterior del cuerpo.

Clasificación

Se han dado diferentes nombres a genes homeóticos en diferentes taxones, lo que genera confusión en la nomenclatura. En el caso de algunos protostomas ( Ecdysozoa  - artrópodos, nematodos), los genes homeóticos conforman dos grupos Antennapedia y Bithorax , que en conjunto se denominan HOM-C (Homeotic Complex). En el caso de los deuterostomas (equinodermos, cordados), los genes homeóticos se denominan genes Hox y existen cuatro grupos: Hoxa, Hoxb, Hoxc y Hoxd. En los protostomas, los genes gomesis también se denominan genes Hox, aunque esto no es del todo correcto.

Filogenia de los genes homeóticos

Hay alrededor de diez genes homeóticos en Ecdysozoa . Los vertebrados tienen cuatro conjuntos de parálogos de los diez genes Hoxa, Hoxb, Hoxc y Hoxd. Estos grupos de parálogos se formaron como resultado de dos duplicaciones de genomas de vertebrados. [17]

Ambas duplicaciones se produjeron después de que los ancestros de las lancetas y los tunicados se separaran de un tronco común con los vertebrados, y antes de que se separaran los linajes evolutivos de los mamíferos y los peces cartilaginosos. Lo más probable es que la primera duplicación haya tenido lugar poco antes de la separación de los linajes sin mandíbula y gnatóstomo, y la segunda poco después (la separación de estos linajes probablemente ocurrió hace unos 530 millones de años). [Dieciocho]

Aunque los genes homeóticos de vertebrados son copias de los genes de Ecdysozoa , estas copias no son idénticas. Como resultado de la acumulación de mutaciones a lo largo del tiempo, las proteínas realizan diferentes funciones. En diferentes grupos de vertebrados, algunos genes se pierden o se duplican.

Hoxa y Hoxd determinan el desarrollo de las extremidades. La expresión de Hox en la extremidad tiene dos etapas: en la primera, se desarrolla la extremidad en sí, en la etapa posterior, se forman los dedos y el trabajo de Hoxd 8 - 13, mientras que una región reguladora separada está involucrada en el extremo 5 'de Hoxd 13 gen, que no se encuentra en Teleostei . [19]

Historia

La importancia de las mutaciones en los genes homeóticos para el desarrollo de la teoría de la herencia fue señalada por primera vez por el autor de este término, William Batson , en 1894. En la década de 1920, un estudiante de S. S. Chetverikov , E. I. Balkashina , estudió mutaciones homeóticas (incluso en Drosophila ) . Balkashina describió la mutación de aristopedia en Drosophila y estableció el paralelismo de los fenómenos de homeosis durante la regeneración y mutación de genes homeóticos, y también mapeó los tres genes homeóticos de Drosophila conocidos en ese momento.

Edward Lewis en 1948 comenzó un estudio sistemático de los genes homeóticos que gobiernan el desarrollo de discos larvarios imaginales en órganos adultos . Lewis descubrió la colinealidad en el espacio entre el orden de los genes del complejo bitórax en el cromosoma y el orden de los discos imaginales (segmentos), de cuyo desarrollo son responsables, a lo largo del eje anterior-posterior del cuerpo.

Christiane Nüsslein-Volhard y Eric Wieschaus clasificaron 15 genes que determinan la estructura corporal y la formación de segmentos en Drosophila melanogaster . En 1995, los investigadores recibieron el Premio Nobel de Medicina.

En enero de 2013, científicos españoles llevaron a cabo un experimento para introducir en el genotipo del pez cebra el gen hoxd13 , responsable del desarrollo de las extremidades para el movimiento en tierra, tomado de ratones. Los propios peces tienen un gen similar, pero no muestra suficiente actividad para el desarrollo de las patas. Como resultado del experimento, en lugar de aletas, los peces recibieron los rudimentos de las extremidades que podían proporcionarles movimiento en el suelo. [veinte]

En plantas

La expresión de los genes que regulan el desarrollo de las plantas está controlada por factores internos y externos. Los factores internos que afectan su actividad incluyen hormonas , sacarosa y algunos elementos minerales, y los factores externos son la temperatura y la luz. Un papel importante en la regulación de los procesos de diferenciación y desarrollo corresponde a los genes que contienen promotores que son sensibles y específicos a las fitohormonas y factores ambientales como la luz y la temperatura. Los promotores de muchos genes cuya actividad está regulada por fitohormonas contienen elementos transcripcionales que determinan la especificidad hormonal de las reacciones de crecimiento de las plantas.

Actualmente, se han identificado genes clave que controlan la embriogénesis , el envejecimiento y la fotomorfogénesis, regulan el funcionamiento de los meristemos apicales, laterales y florales , y son responsables de la formación de raíces, hojas y vasos. La expresión de genes que regulan el desarrollo de las flores es la mejor estudiada. Sobre la base de la información genética, los aparatos matemáticos y los programas informáticos actualmente disponibles, fue posible construir las denominadas redes reguladoras genéticas que nos permiten evaluar todo el espectro de interacciones entre varios genes reguladores en el proceso de diferenciación celular y la formación de órganos vegetales. . Los elementos individuales de estas redes son capaces de controlar varios procesos en diferentes etapas de desarrollo. Por lo tanto, las mutaciones que afectan a diferentes regiones del mismo gen regulador pueden diferir en su manifestación fenotípica.

En las plantas superiores, se ha estudiado mejor el funcionamiento de dos tipos de genes reguladores del desarrollo: los genes que contienen homeobox y los genes MADS-box .

Genes homeobox

Los genes que contienen homeobox se identifican por la presencia de una secuencia de ADN característica de aproximadamente 180 pares de bases (homeobox) que codifica el homeodominio ,  una región conservada de varios factores de transcripción. Esta secuencia de nucleótidos es típica para genes del tipo de cascada de regulación del desarrollo.

El maíz KNOTTED1 (KN1) fue el primer gen vegetal clonado que codifica una proteína que contiene un homeodominio. La mutación anudada 1 hace que el gen KN1 se exprese en el momento y lugar equivocados. En los mutantes kn1, aparecen grupos de células alrededor de células de hojas ya diferenciadas, que aún continúan dividiéndose. Los grupos de células en división ubicados a lo largo de los elementos vasculares a lo largo de la lámina de la hoja forman los llamados nodos (nudos). Más tarde, se descubrió toda una familia de genes similares a KN1, llamada KNOX (KNOTTED1-like HOMEOBOX). La sobreexpresión de los genes de la familia KNOX también distorsiona el desarrollo de las hojas.

Entre los genes KNOX de plantas, un gran grupo involucrado en la regulación de la actividad del meristema apical del brote y el desarrollo de la hoja ha sido estudiado más a fondo: KN1 y RS1 en maíz, KNAT1, KNAT2 y STM en Arabidopsis thaliana , HvKNOX3 en cebada y OSH1 en arroz. Los genes KN1, STM y sus análogos funcionales son responsables de mantener la división de las células meristemáticas, reprimiendo su posterior diferenciación. Estos genes se expresan en los meristemos apicales de los brotes, así como en los meristemos florales.

Genes que contienen la caja MADS

El término "caja MADS" se deriva de las iniciales de cuatro genes: levadura MCM1, Arabidopsis AG, boca de dragón DEF y mamífero SRF. Los genes que contienen la caja MADS incluyen, en particular, AG ( AGAMOUS ), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) y AP3 (APETALA3), TFL1 (TERMINAL FLOWER), PI (PISTILLATA). Los genes de este tipo regulan la florigénesis y determinan el destino de las células en el óvulo; su expresión se encontró en el embrión, las raíces y las hojas. Los genes de la caja MADS incluyen la mayoría de los genes homeóticos de las plantas, en particular, los genes para la identidad de los órganos florales. Se supone que la aparición de nuevos órganos en el proceso de evolución progresiva de las plantas, por ejemplo, óvulos y semillas, fue acompañada por la aparición de nuevas subfamilias de genes de caja MADS.

Factores de transcripción

El control directo sobre el desarrollo de los órganos y tejidos de las plantas lo llevan a cabo los factores de transcripción (TF), proteínas que, tras trasladarse al núcleo celular, regulan la transcripción interactuando específicamente con el ADN o con otras proteínas que pueden formar un complejo proteína-ADN.

Véase también

Literatura

  • Lutova L. A., Provorov N. A., Tikhodeev O. N., Tikhonovich I. A., Khodzhayova L. T., Shishkova S. O. Genética del desarrollo de plantas / Ed. Miembro correspondiente RAS S. G. Inge-Vechtomova. - San Petersburgo: Nauka, 2000. - 539 p.
  • Korochkin L. I., Yankovsky N. K., Gvozdev V. A., Gaponenko A. K., Limborskaya S. A. Genoma, clonación, origen humano / Ed. Miembro correspondiente RAS L. I. Korochkina. - Fryazino: 2 años, 2003. - 224 p.
  • Medvedev S. S., Sharova E. I. Regulación genética y epigenética del desarrollo de organismos vegetales (revisión) / Revista de la Universidad Federal de Siberia. Biología 2 (2010-3).
  • Lewin. genes VII. — 7mo. - Nueva York: Oxford University Press, 2002. - S. 960. - 990 p. — ISBN 0-19-879276-X .

Notas

  1. ↑ Wang, X. y Müller, WE (2016). Morfogénesis molecular: patrones de expresión génica en animales. Reseñas en Biología Celular y Medicina Molecular. 2:1–41 doi : 10.1002/3527600906.mcb.200500041.pub2
  2. ↑ shatal.pmd Archivado el 10 de enero de 2005 en Wayback Machine .
  3. ↑ Ferrier DE , Dewar K. , Cook A. , Chang JL , Hill-Force A. , Amemiya C. El cúmulo de cordados ParaHox.  (Inglés)  // Biología actual : CB. - 2005. - vol. 15, núm. 20 _ - Pág. 820-822. -doi : 10.1016 / j.cub.2005.10.014 . —PMID 16243016 .
  4. ↑ Burglin, T. (2005). La página de HomeBox. http://www.cbt.ki.se/groups/tbu/homeo.html#Structure%20of%20the%20homeodomain Archivado el 11 de septiembre de 2011 en Wayback Machine .
  5. ↑ Lutz, B.; H. C. Lu, G. Eichele, D. Miller y T. C. Kaufman. El rescate del mutante nulo labial de Drosophila por el ortólogo de pollo Hoxb-1 demuestra que la función de los genes Hox se conserva filogenéticamente  // Genes & Development  : journal  . - 1996. - vol. 10 _ - pág. 176-184 . — PMID 8566751 .
  6. ↑ Ayala, FJ; A. Rzhetskydaga.  Origen de los filos de metazoos : los relojes moleculares confirman las estimaciones paleontológicas  // Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América  : revista. - 1998. - 20 de enero ( vol. 95 , n. 2 ). - Pág. 606-611 . —PMID 9435239 .
  7. ↑ Cesares y Mann 1998; Plaza et al 2001
  8. ↑ Scott F. Gilbert. Biología del desarrollo . — Octava Edición. - Sinauer Associates Inc., 2006. - 785 p. — ISBN 087893250X .
  9. ↑ Hanes SD , Brent R. La especificidad de ADN de la proteína activadora bicoide está determinada por el residuo de hélice de reconocimiento de homeodominio 9.  //  Cell. - 1989. - vol. 57, núm. 7 . - Pág. 1275-1283. — PMID 2500253 .
  10. ↑ Hanes SD , Brent R. Un modelo genético para la interacción de la hélice de reconocimiento del homeodominio con el ADN.  (Inglés)  // Ciencia (Nueva York, NY). - 1991. - vol. 251, núm. 4992 . - Pág. 426-430. —PMID 1671176 .
  11. ↑ Small S. , Blair A. , ​​Levine M. Regulación de la raya 2 incluso omitida en el embrión de Drosophila.  (Inglés)  // La revista EMBO. - 1992. - vol. 11, núm. 11 _ - Pág. 4047-4057. —PMID 1327756 .
  12. ↑ Lempradl A. , Ringrose L. ¿Cómo regula la transcripción no codificante los genes Hox?  (inglés)  // BioEssays: noticias y reseñas en biología molecular, celular y del desarrollo. - 2008. - Vol. 30, núm. 2 . - Pág. 110-121. - doi : 10.1002/bies.20704 . — PMID 18200528 .
  13. ↑ Rinn JL , Kertesz M. , Wang JK , Squazzo SL , Xu X. , Brugmann SA , Goodnough LH , Helms JA , Farnham PJ , Segal E. , Chang HY Demarcación funcional de dominios de cromatina activos y silenciosos en loci HOX humanos mediante no codificación ARN.  (Inglés)  // Celular. - 2007. - vol. 129, núm. 7 . - Pág. 1311-1323. -doi : 10.1016 / j.cell.2007.05.022 . — PMID 17604720 .
  14. ↑ Fraser P, Bickmore W. Organización nuclear del genoma y el potencial para la regulación génica   // Naturaleza . - 2007. - vol. 447 , núm. 7143 . - Pág. 413-7 . — PMID 17522674 .
  15. ↑ Montavon T. , Le Garrec JF , Kerszberg M. , Duboule D. Modelado de la regulación del gen Hox en dígitos: colinealidad inversa y el origen molecular del pulgar.  (Inglés)  // Genes y desarrollo. - 2008. - Vol. 22, núm. 3 . - Pág. 346-359. -doi : 10.1101/ gad.1631708 . — PMID 18245448 .
  16. ↑ Pierce, Benjamin A. Genética: un enfoque conceptual. 2ª edición . — WH Freeman; 2ª edición, 2004. - 832 p. — ISBN 071678881.
  17. ↑ Dehal P. , Boore JL Dos rondas de duplicación del genoma completo en el vertebrado ancestral.  (Inglés)  // Biblioteca Pública de Ciencias Biología. - 2005. - vol. 3, núm. 10 _ - Pág. e314. - doi : 10.1371/journal.pbio.0030314 . — PMID 16128622 .
  18. ↑ Elements Science News: Lancelet Genome ayuda a descubrir el secreto del éxito evolutivo de los vertebrados . Consultado el 10 de mayo de 2009. Archivado desde el original el 23 de junio de 2013.
  19. ↑ Deschamps J. Ancestral y recientemente reclutado control global de los genes Hox en desarrollo.  (Inglés)  // Opinión actual en genética y desarrollo. - 2007. - vol. 17, núm. 5 . - Pág. 422-427. -doi : 10.1016/ j.gde.2007.07.008 . —PMID 17870464 .
  20. ↑ Copia archivada (enlace no disponible) . Fecha de acceso: 29 de enero de 2013. Archivado desde el original el 25 de enero de 2013.   La transformación de las aletas en patas para caminar sobre la tierra ha quedado demostrada ahora en el laboratorio: científicos españoles han hecho crecer los rudimentos de las extremidades en el pez cebra.
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