Гомеобокс¶

Гомеобокс — это последовательность ДНК длиной около 180 пар нуклеотидов, которая кодирует высококонсервативный ДНК-связывающий домен белков (гомеодомен). Гомеобокс является ключевым элементом генов, регулирующих процессы эмбрионального развития, клеточной дифференцировки и морфогенеза у животных, грибов и растений. Гены, содержащие гомеобокс, называются гомеозисными генами (Hox-генами у животных) и играют фундаментальную роль в определении пространственной организации тела (план строения) вдоль передне-задней оси.

¶История открытия

Гомеобокс был впервые идентифицирован в 1983 году независимо двумя группами исследователей: в лаборатории Уолтера Геринга (Walter Gehring) в Базельском университете и в лаборатории Мэтью Скотта (Matthew Scott) в Университете Индианы. Учёные изучали гомеозисные мутации у плодовой мушки Drosophila melanogaster, которые приводили к превращению одних частей тела в другие (например, замена антенн на ноги). Секвенирование генов Antennapedia и Ultrabithorax показало, что они содержат высокогомологичную последовательность, названную гомеобоксом. В 1984 году было показано, что гомеобокс кодирует белок, способный связываться с ДНК и регулировать транскрипцию других генов. За открытие гомеобокса и его роли в развитии Уолтер Геринг был удостоен премии Шао (1999) и премии Бальцана (2002).

¶Структура и механизм действия

¶Гомеодомен

Гомеобокс кодирует гомеодомен — белковый домен длиной около 60 аминокислот, который образует три α-спирали, свёрнутые в компактную глобулу. Третья α-спираль (спираль-3) является «спиралью распознавания» и входит в большую бороздку ДНК, обеспечивая специфическое связывание с последовательностью TAAT (или её вариантами). Гомеодомен относится к классу спираль-поворот-спираль (HTH) ДНК-связывающих мотивов, характерных для многих транскрипционных факторов.

¶Регуляция транскрипции

Белки, содержащие гомеодомен, функционируют как транскрипционные факторы. Они активируют или репрессируют экспрессию целевых генов, связываясь с промоторными и энхансерными участками ДНК. Специфичность связывания определяется не только гомеодоменом, но и дополнительными доменами (например, доменами PBX, MEIS), которые образуют гетеродимерные комплексы и расширяют спектр распознаваемых последовательностей.

¶Классификация гомеобокс-содержащих генов

Гомеобокс-гены делятся на несколько классов в зависимости от структуры гомеобокса, наличия дополнительных доменов и филогенетического родства:

¶Hox-гены (кластерные гомеобокс-гены)

У животных Hox-гены организованы в кластеры (у позвоночных — четыре кластера: HoxA, HoxB, HoxC, HoxD). Они определяют идентичность сегментов тела вдоль передне-задней оси (коллинеарность: порядок генов в кластере соответствует порядку их экспрессии вдоль оси тела). У человека известно 39 Hox-генов.

¶ParaHox-гены

Эволюционно родственная группа генов, не входящая в Hox-кластеры, но имеющая сходную функцию. У позвоночных включает гены Gsx, Pdx и Cdx, участвующие в развитии переднего мозга, поджелудочной железы и задней кишки соответственно.

¶NK-кластер

Гены, регулирующие развитие сердца, мышц и нервной системы. У позвоночных включает гены Nkx2-5 (сердце), Msx (скелет) и другие.

¶LIM-гомеобокс-гены

Содержат дополнительный LIM-домен, участвующий в белок-белковых взаимодействиях. Важны для развития нервной системы, конечностей и почек. Примеры: Isl1, Lhx1.

¶POU-гомеобокс-гены

Содержат POU-домен, специфичный для связывания с октамерной последовательностью ДНК. Ключевые регуляторы развития гипофиза и нервной системы. Примеры: Pit1, Oct4 (фактор плюрипотентности).

¶TALE-гомеобокс-гены

Отличаются удлинённой петлёй между первой и второй α-спиралями. Включают гены PBX, MEIS, TGIF, участвующие в сигнальных путях и развитии конечностей.

¶Белковые гомеобокс-гены (Prox)

Содержат гомеодомен, но не относятся к основным классам. Пример: Prox1 — регулятор развития лимфатической системы и хрусталика глаза.

¶Роль в развитии

¶Животные

У животных Hox-гены являются основными «дирижёрами» морфогенеза. Их мутации приводят к гомеозисным трансформациям: например, мутация Antennapedia у дрозофилы вызывает превращение антенн в ноги, а мутация bithorax — развитие дополнительной пары крыльев. У позвоночных нарушения Hox-генов связаны с врождёнными пороками развития (например, синдром Гольденхара, аномалии позвоночника). Гомеобокс-гены также регулируют сегментацию, формирование конечностей, внутренних органов и нервной системы.

¶Растения

У растений гомеобокс-гены (например, KNOX, BELL) контролируют развитие меристем, формирование листьев, цветков и корней. Мутации в гене KNAT1 у арабидопсиса приводят к образованию дополнительных листьев вместо цветков.

¶Грибы

У грибов гомеобокс-гены участвуют в регуляции полового размножения, формирования плодовых тел и патогенности. Например, у Candida albicans ген HWP1 содержит гомеобокс и необходим для гифального роста.

¶Эволюционная консервативность

Гомеобокс является одним из наиболее консервативных генетических элементов в эволюции. Последовательность гомеобокса у человека и дрозофилы совпадает на 80–90% в пределах гомеодомена. Это указывает на то, что механизмы регуляции развития, основанные на гомеобокс-генах, возникли у общего предка билатеральных животных (Urbilateria) около 600–700 миллионов лет назад. У растений гомеобокс-гены эволюционировали независимо, но сохранили сходную функцию в контроле клеточной дифференцировки.

¶Медицинское значение

Мутации в гомеобокс-генах связаны с рядом наследственных заболеваний человека:

Синдром Пьера Робена (мутации SOX9 — ген содержит гомеобокс).
Синдром Холта-Орама (мутации TBX5 — T-box ген, но гомеобокс-подобный домен).
Синдром Вакерс-Витте (мутации HOXA13).
Нарушения развития конечностей (например, эктродактилия, связанная с мутациями HOXD13).
Рак: аберрантная экспрессия Hox-генов (например, HOXB7 при меланоме, HOXA9 при лейкозах) способствует неконтролируемой пролиферации клеток. Гомеобокс-гены также могут выступать как онкосупрессоры (например, CDX2 при колоректальном раке).

¶Интересные факты

Гомеобокс был назван «генетическим алфавитом» эмбрионального развития из-за его способности кодировать «пространственные координаты» организма.
У человека около 300 генов содержат гомеобокс, что составляет примерно 1% от всех кодирующих генов.
В 1995 году за исследования гомеобокс-генов и их роли в развитии Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Эдвард Льюис, Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус (за работы по дрозофиле).
Гомеобокс-гены обнаружены даже у губок (Porifera), которые не имеют выраженной сегментации тела, что указывает на древнее происхождение этого механизма.
В генной инженерии гомеобокс-гены используются для создания трансгенных организмов с изменённым планом строения (например, получение дрозофил с дополнительными глазами на ногах).

¶Источники

Gehring, W. J. (1998). Master Control Genes in Development and Evolution: The Homeobox Story. Yale University Press.
Scott, M. P., & Weiner, A. J. (1984). «Structural relationships among genes that control development: sequence homology between the Antennapedia, Ultrabithorax, and fushi tarazu loci of Drosophila». Proceedings of the National Academy of Sciences, 81(13), 4115–4119.
McGinnis, W., & Krumlauf, R. (1992). «Homeobox genes and axial patterning». Cell, 68(2), 283–302.
Duboule, D. (2007). «The rise and fall of Hox gene clusters». Development, 134(14), 2549–2560.
Bürglin, T. R. (2011). «Homeodomain subtypes and functional diversity». Subcellular Biochemistry, 52, 95–122.