Гените на Hox намериха свобода - и змиите загубиха краката си

Гените, които сме загубили Еволюцията на хоминидите е съпроводена не само от печалби, но и от загуби. Някои гени, които работят нормално при шимпанзетата и други маймуни, са се изключили при хората и са се превърнали в тихи псевдогени. През 1999 г. Мейнард Олсън от

Учени от САЩ са създали алгоритъм, който може да предскаже от генома как действат транскрипционните фактори в живия организъм - протеини, които контролират синтеза на други протеини. Изследвания, публикувани в PNAS.

Въпреки че ДНК последователностите на много организми вече са прочетени, учените все още не разбират напълно как работят. Една от тези загадки отдавна са гените Hox, които контролират растежа на организма и развитието на неговите части на правилните места. Те са тези, които "заповядват" главата на ларвата на дрозофилата да расте отпред, да определя къде и в какво количество ще се появят крилата и краката. Тази група гени присъства и при бозайниците.

Hox гените не кодират прости протеини, а специални, наречени транскрипционни фактори. Тези протеини действат като "превключватели" за много други гени, прикрепвайки се към специфични области на ДНК, за да усилят или инхибират отчитането на последователност. Това позволява на гените Hox да „организират“ развитието на ембриона. Учените обаче са забелязали странна особеност: въпреки че всеки Hox ген е отговорен за растежа и развитието на различни части на тялото, всички те се свързват силно с едни и същи ДНК последователности.

През 2015 г. генетици от Колумбийския университет установиха, че тези транскрипционни фактори се свързват с много други региони на ДНК, но много по-слаби. Учените са разбрали, че тези слаби връзки са ключът към разбирането как работят хокс гените. Намирането на всички в генома обаче не беше лесно. За това генетиците създадоха нов метод за секвениране (четене на ДНК последователности), който те нарекоха SELEX-sq. Този подход изисква последователно последователно използване на един и същ регион, но той не предоставя информация за важни региони със слабо свързване. „Беше като да пускате същия параграф през Google Translate отново и отново, но в крайна сметка получавате само 10% от думите, преведени прецизно“, коментира Ричард Ман, един от авторите на технологията, Хигинс професор по биохимия и молекулярна биофизика в Колумбия Университет ...

Изследователите създадоха нов алгоритъм, за да разберат защо ДНК последователностите се държат в този експеримент по този начин. Алгоритъмът беше наречен No Read Left Behind или NRLB (буквално „не се забравя четене“). Този алгоритъм е първият количествен метод, способен да оцени силата на свързване на ДНК региони с транскрипционни фактори. В допълнение, той успя да предскаже точно ефекта на някои мутации върху нивото на генна експресия в ембриони на дрозофила, дори за слабо свързващи места.

В генома има около 10% от транскрипционните фактори и тяхната сила на свързване към различни последователности може да варира хиляди пъти. Следователно работата е важна не само в контекста на изучаването на Hox гени, но и за разбирането ни как функционира геномът.

Хареса ли ви материалът? в „Моите източници“ Яндекс.Новини и ни четете по-често.

Hox гените определят модела на тялото на животните. Много е важно те да бъдат изразени в точното количество, на точното място и в точния момент на ембрионално развитие, в противен случай цялата телесна верига ще бъде нарушена. Оказва се, че за тези гени съществува специален вид регулиране на транслацията, което прави възможно отделянето на един вид протеин от всички останали. Тяхната иРНК има IRES-подобни региони, които могат да предизвикат транслация. В този случай зависимият от капачката транслация за тези протеини е изключен.

Hox гените са важен предмет за изследване

Инициирането на излъчването е различно

И така, генетичният материал на клетката е кодиран в ДНК. Определен тип РНК се отчита от ДНК, а протеин се чете от РНК. Този тип РНК се нарича пратеник РНК, в тя има определена структура. Това е линейна молекула, съответно, тя има 2 края, които се наричат ​​5'- и 3'-края. В 5'-края има специална структура - ... Необходимо е да започнете синтеза на протеин върху РНК матрицата, тъй като тя привлича фабриката за протеини - .

Това се случва при нас, но не и при вирусите. По-точно не всички вируси. Някои имат други структури в РНК, които инициират протеинов синтез - ... Така се оказва, че в РНК на бозайници понякога се откриват структури, подобни на IRES на вирусите. В този случай капачката също присъства. Оказва се РНК с два сигнала за привличане на рибозомата. Това интересно явление често има важни биологични последици. Например, при стрес, ограничаването на зависимото иницииране на превода се потиска. Но някои протеини също трябва да се синтезират при стрес. Тогава клетката използва IRES. И как такава смесена система работи при нормални, нешокови условия е голяма загадка. Клетъчните IRES не си приличат и тяхната роля в развитието на организма не е ясна. Учени, изучаващи регулацията на Hox гените, се опитаха да намерят отговор на този въпрос.

ИРНК на Hox гени имат IRES вируси?

Интересното е, че някои Hox гени в иРНК предполагат наличието на IRES. Освен това IRES привлича рибозомата и задейства синтеза на протеини. Първите експериментални доказателства вече са представени в полза на тази хипотеза. Учените откриха и друг специален регулаторен елемент - инхибиращ транслацията елемент (TIE), който блокира синтеза на протеин, зависим от капачката. Появата на блокиращия елемент обяснява защо само IRES работи, когато присъстват както структурата на капачката, така и IRES.

Защо IRES е по-добър от капачка?

Важността на региона на РНК, където се намира предполагаемият IRES, беше експериментално потвърдена в този случай. Доказано е, че ако един от Hox гените на мишки е мутирал чрез премахване на IRES, мишката ще се развие необичайно (виж Фигура 1).

Фигура 1. Патологии в развитието на скелета на мишки с делеции в 5'-нетранслируемата област в един от Hox гените - Hoha9. Учените са разработили линия от мишки, при които IRES е увредена в един от гените Hox. Тези мишки се развиват необичайно. Скелетната им структура е нарушена: например, няма достатъчно ребра (черните стрелки показват липсващите ребра). Наблюдават се и други патологии. Снимка от.

За много важни протеини, кодирани в Hox гените, се смята, че IRES е по-добър от капачката. Това може да се дължи на факта, че структурата на капачката е еднаква за всички иРНК. И IRES са различни. Тоест, към протеините, които определят структурата на тялото, е необходим индивидуален подход. Дори началото на синтеза е важен етап на регулиране и трябва да бъде уникален за всеки такъв протеин.

Речник на термините:

• IRES (Internal Ribosome Entry Site) - място за вътрешно засаждане на рибозома.
• Hox гените са семейство гени, които кодират транскрипционни фактори, които регулират образуването на органи и тъкани по време на развитието на организма.
• Делецията е отстраняване на фрагмент от ДНК молекула.
• Капачка - 7-метилгуанозин - структура в 5'-края на пратените РНК.
• Рибозомата е комплекс, състоящ се от РНК и протеини и служи за синтеза на протеин от аминокиселини съгласно даден шаблон, базиран на генетична информация, предоставена от пратеник РНК (тРНК).
• Превод - синтез на протеин върху РНК шаблон.
• Хромозомата е структура, състояща се от ДНК и протеини, разположени в ядрото на еукариотната клетка. Проектиран за съхранение, внедряване и предаване на генетична информация.
• Еукариотите са живи организми, чиито клетки съдържат ядра.

Литература

1. Александър, Т., Нолте, С. и Крумлауф, Р. (2009). Hox гени и сегментация на задния мозък и аксиалния скелет. Ану. Преп. Cell Dev. Biol. 25 , 431–456 ;
2. Гени, от които растат крила. И краката. И всичко останало;
3. Уикипедия: «

- ... Уикипедия

- ... Уикипедия

Хомеотичните гени определят процесите на растеж и диференциация. Хомеотичните гени кодират транскрипционни фактори, които контролират програмите за формиране на органи и тъкани. Мутациите в хомеотичните гени могат да причинят трансформация на една част ... ... Уикипедия

- (английски homeobox) ДНК последователност, открита в гени, участващи в регулирането на развитието при животни, гъби и растения. Гените, които съдържат хомеобокс, образуват отделно семейство. Най-изучаваната и най-... ... Уикипедия

Камбрийската експлозия е внезапната (в геоложки смисъл) поява в ранните кембрийски (около 540 млн. Г.) находища на вкаменелости на представители на много отдели от животинското царство, на фона на отсъствието на техните фосили или фосили ... .. Уикипедия

Mln. години Период Ера ... Уикипедия

- (английска еволюционна биология на развитието, evo devo) област на биологията, която, сравнявайки онтогенезата на различни организми, установява родствени връзки между тях и разкрива развитието на онтогенетичните процеси в хода на еволюцията. Тя ... ... Уикипедия

Транскрипционните фактори (транскрипционни фактори) са протеини, които контролират трансфера на информация от ДНК молекула в структурата на иРНК (транскрипция) чрез свързване към специфични области на ДНК. Транскрипционните фактори изпълняват своята функция ... ... Уикипедия

HOXB7 протеинов комплекс с ДНК. Легенда ... Уикипедия

- (транскрипционни фактори) протеини, които контролират процеса на синтез на иРНК върху ДНК матрицата (транскрипция) чрез свързване към специфични области на ДНК. Транскрипционните фактори изпълняват своята функция независимо или в комбинация ... ... Уикипедия

Книги

• Еволюцията на онтогенезата, Н. Д. Озернюк, Еволюцията на онтогенезата се счита за основен проблем на еволюционната биология на развитието, тъй като еволюционните трансформации на организмите са причинени от промени в тяхната онтогенеза. Интеграция ... Категория:

Hox гените са голямо семейство гени, които регулират развитието на различни части на тялото при многоклетъчни животни. Отдавна е известно, че тези гени са много еволюционно консервативни: много от тях са често срещани дори в такива далечни организми като насекоми и бозайници. Този консерватизъм обаче не е абсолютен. Подробно проучване на съдбата на една от групите гени Hox, проведено от германски генетици, показа, че новите гени от тази група са възникнали няколко пъти в различни еволюционни клонове. Дори при такива относително свързани животни като хордовите и бодлокожите, техният набор е различен. А древният общ прародител на всички двустранно симетрични животни е имал значително по-малко Hox гени от повечето съвременни представители.

Семейни гени Хоксса известни като регулатори на индивидуалното развитие на животните, контролиращи диференциацията на части от тялото им (виж: Програмите за работата на Hox гените при ларвите и възрастните на анелидите са коренно различни, „Елементи“, 27.05.2013 г.) Повечето животни имат няколко от тези гени и те имат две важни свойства. Първо, мутациите в гените Hox причиняват специален тип деформация, свързана с трансформацията на някои части на тялото в други. Например при насекомите това може да бъде превръщането на коремните сегменти в гръдни сегменти или антени в крака (фиг. 1). Гените с този ефект обикновено се наричат ​​хомеотични (вж. Също Хомеотичен ген). Второ, Hox гените са изключително еволюционно запазени. Още преди 30 години беше показано, че например при насекомите (плодова муха) и при гръбначните животни (мишка, човек) техните нуклеотидни последователности са много близки.

Насекомите и гръбначните изобщо не са близки роднини. Те са разположени един от друг на еволюционното дърво, доколкото е възможно за две двустранно симетрични животни (виж: Нови данни направиха възможно изясняването на родословието на животинското царство, "Елементи", 04/10/2008). Тоест, техният общ предшественик е бил в същото време общ предшественик на мекотели, бодлокожи, плоски, кръгли и анелиди, и като цяло, без изключение, всички членове на огромна група от двустранно симетрични или двустранни (Bilateria). Ако мишка и муха имат някакъв общ ген, това означава, че този общ прародител вече го е имал.

Междувременно плодовата муха има осем гена Hox, всички от които имат прецизни кореспонденции едно към едно при гръбначните животни (Фигура 2). Поне това мнение е широко разпространено отдавна.

Друга особеност на Hox гените е, че регионите на активност (експресия) на тези гени обикновено са разположени по тялото на животното в същия ред, в който самите гени са физически разположени върху хромозомата (фиг. 2). Това се нарича принцип на колинеарността. За удобство гените на Hox обикновено се разделят на групи: „отпред“, „централно“ и „отзад“. В съответствие с принципа на колинеарността тези имена означават както местоположението на самите гени в хромозомата, така и местоположението на техните области на експресия в тялото.

Нова работа, направена в лабораторията по приложна биоинформатика, Департамент по биология, Universität Konstanz, е посветена на еволюционната съдба на централната група от гени Hox. Както при плодовата муха, така и при гръбначните, тази група включва по три гена; в дрозофила ги наричат Antp, Ubxи abd-A, а при гръбначните - Hox6, Hox7и Hox8(фиг. 3). Въз основа на относителното им положение може да се очаква индивидуално съответствие: генът Antpще съответства на гена Hox6, ген Ubx- ген Hox7, ген abd-A- ген Hox8... Но наистина ли е така?

Генетиците от Констанс решиха да разберат връзката на централните Hox гени, като ги сравняват директно. Както знаете, продуктът на всеки ген е протеин, а протеинът е верига от аминокиселини, чиято последователност може да бъде дешифрирана и записана. В днешно време са известни много аминокиселинни последователности на Hox протеини. С помощта на специални програми германските генетици по двойки сравняват абсолютно всички налични последователности на протеини - продукти на централните Hox гени, "без да гледат" нито номера на гена, нито от какво животно е. Поредица от такива обективни сравнения биха показали надеждно кои гени имат общ произход и кои не.

Оказа се, че от трите централни Hox гена, насекомите и гръбначните всъщност имат само един общ. Това е генът, който насекомите наричат Antp, а при гръбначните - Hox7... Само този ген вероятно е бил в общия им предшественик. Останалите централни Hox гени на насекоми и гръбначни животни нямат нищо общо; те са възникнали в тези групи по различни начини, в резултат на независимо дублиране на гени (удвояване). Например гени Hox6и Hox8присъства само при гръбначните животни: те не са подобни на гените на други животни.

Съдбата на гена при дрозофила се оказа интересна abd-A... Той (или негов близък „роднина“) се среща не само в насекомите и не само в членестоногите, но и в няколко други вида животни, включително мекотели, анелиди и плоски червеи. Очевидно този ген е общ за огромна група протостомия. Тази група включва членестоноги, мекотели и почти всички червеи. Но гръбначните животни не са включени и те нямат този ген.

Два необичайни централни Hox гена са открити при животни на ехинодерми и полухордати. Тези два типа се считат за тясно свързани и наистина уникалните гени Hox - очевидно новопридобити еволюционно - са много сходни. Но при хордовите (които включват, по-специално, гръбначните) тези гени не са. Хемихордатите, бодлокожите и хордовете заедно принадлежат към групата на Deuterostomia. Получените резултати очевидно означават, че не само общият предшественик на двустранно симетрични животни, но и общият предшественик на дейтеростомите има само един централен Hox ген.

Вярно е, че общият предшественик на второстемите също е живял много отдавна - преди повече от 500 милиона години. Така че високият консерватизъм на Hox гените обикновено се потвърждава от тези резултати. Но сега ясно виждаме, че това не е абсолютно. В хипотетичния „прото червей“, който е родоначалник на всички двустранно симетрични животни, наборът от Hox гени не е същият като при мишка или муха (въпреки че след първите открития може да се мисли така). Все още беше забележимо по-просто. И усложнението му преминаваше постепенно, в различни групи по различни начини, през събития, много от които сега са ни известни.

Работата на генетиците от Констанс показва, че подробните описания на еволюционната съдба на отделните гени могат да бъдат много сюжетни, не по-лоши от, например, анализ на биографиите на исторически герои. През следващите години има вероятност да се появяват все повече такива изследвания, базирани на обширни бази данни и на използването на най-модерния софтуер. Еволюционната генетика навлиза в нов етап от своето развитие пред очите ни.

Източници: Stefanie D. Hueber, Jens Rauch, Michael A. Djordjevic, Helen Gunter, Georg F. Weiller, Tancred Frickey. Анализ на типовете централни Hox протеини в двустранните кладове: За диверсификацията на централните Hox протеини от Antennapedia / Hox7-подобен протеин // Биология на развитието(2013, предпечатка).