Развитие многоклеточных организмов происходит в соответствии с двумя парадигмами
Дифференциальная активность генов;
Избирательные
межклеточные
взаимодействия.
Гомеозисные гены
После сегментации и установления ориентации сегментов активируются так называемые гомеозисные
гены. Различные их наборы активируются
специфическими соотношениями концентраций белков.
Продукты гомеозисных генов активируют другие гены, которые определяют сегмент-специфичные
особенности. Глаза в норме возникают только на головном сегменте, а ноги – только на грудных
сегментах.
Гомеозисные гены кодируют регуляторные белки,
связывающиеся с ДНК. Каждый из них содержит кластер нуклеотидов, называемый гомеобоксом, которые сходен во всех гомеозисных генах. Он содержит 180 нуклеотидов и кодирует 60 аминокислот,
функционирующих как ДНК-связывающий домен.
Гомеозисные мутации впервые были описаны в 1894 Willam Bateson и характеризуются изменением места расположения известных структур вдоль продольной оси тела животного.
За характеристику гомеотических (гомейозисных) генов у дрозофилы Э. Льюис (E. B. Lewis) был удостоен в 1995 г. Нобелевской премии.
Было установлено, что гомеотические гены начинают функционировать на ранних этапах развития зародыша и могут оставаться активными в некоторых отделах взрослого организма
Гомейозисная мутация гена Ultrabithorax у дрозофилы (подавление активности гена ultrabithorax) приводит к образованию второй пары крыльев вместо жужжалец
wildtype
Ultrabithorax
Эктопическая активность гомеотического гена Antennapedia (gain of function) в головном
отделе (в норме активного во втором торакальном сегмента) превращает антенну в ногу. В случае мутации гена Antennapedia (loss of function) во втором торакальном сегменте
вместо ноги образуется антенна, благодаря активности более «антериорных» гомеотических генов.
Примеры гомеотических мутаций
Нормальный тип мушки
Мутант |
Мутант |
Antennapedia |
Bithorax |
Гомеотические (гомеозисные) гены
Активности гомеотических генов инициируются продуктами экспрессии генов сегментации (gap и pair rule и полярности сегментов), а затем поддерживаются независимо от них
8 гомеотических генов дрозофилы контролируют идентичность тела как у эмбриональной так и взрослой форм насекомого
labial (lab) proboscipedia (pb) Deformed (Dfd)
Sex combs reduced (Scr) Antennapedia (Antp) Ultrabithorax (Ubx) abdominal A (abd-A) Abdominal B (Abd-B)
Первоначальную экспрессию гомеотических генов инициируют сегментационные гены: gap-гены и гены pair-rule.
В дальнейшем в поддержании экспрессии гомеотических генов в отдельных
участках кластера негативно участвуют гены семейства Polycomb - их белки, локально изменяя конформацию хроматина, подавляют экспрессию генов
Hom-С в протяженных районах кластера, дают возможность осуществляться экспрессии лишь отдельных его участков.
За постоянную локальную активность генов Hom-С отвечают белки семейства Trithorax, поддерживающие определенные участки хроматина в активном
состоянии и позволяя тем самым экспрессироваться в генам Hom-С в этих участках.
Постериорно функционирующие гомеотические гены действуют через свои белковые продукты (ТФ) как репрессоры гомеотических генов, активирующихся
в более антериорных парасегментах.
Некоторые гомеотические гены (lab, dfd) регулируют свою активность белковыми продуктами собственной экспрессии, как активаторными ТФ