同源框

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同源(异型)框homeobox

定义:核苷的简短延伸,这种核苷的碱基序列实质上在所有基因中都是相同的。这种现象在许多生物体,如从果蝇到人类中都能发现。在果蝇中,同源(异型)框能确定特定基因在发育过程中何时表达。

同源异形盒(homeobox)是同源异形基因中都具有的保守基序。同源异形基因(homeotic gene,hox)。由于这类基因含有同源异形盒,所以又称为同源异形框(盒)基因(homeobox genes,Hox)。

控制果蝇发育的3组基因:母体基因,分节基因和同源异形基因。其中的一组调节另外两个中的一组基因和编码结构基因的靶基因。调节基因之间的相互作用是通过分析其它基因发生突变时相应基因的表达改变来确定的。但目前只鉴别出少数几个结构靶基因,3组调节基因作用在靶上,使得身体的各部分产生分化

分节基因编码的蛋白调节转录,3个裂缺座位(hb,kr,kni)基因含有锌指模体。在转录因子TF和SP1中的模体是负责和DNA连接。裂缺基因中其它座位的产物也有DNA-结合模体;giant编码的蛋白具有氨基酸拉链模体;而tailless编码的蛋白与类固醇受体相似。这表明裂缺基因的一般功能是转录调节。

在很多同源异形基因和分节基因中发现了保守的模体。普遍的模体是同源异形盒,它是位于各种分节基因和同源异形座位转达录单位3'端附近的180bp的区域。此序列是开放读框的一部分。在这个序列中密码子的第三个碱基常发性改变。同源异形盒的大小及序列都是固定不变的。约有40个基因含有同源异形盒,而且这些基因几乎都和发育调节有关(同源异形盒是通过它在同源异形基因中超优势度(predominance)而首先被鉴别出来的,因此而得名)。由同源异形盒编码的蛋白序列称之为同源结构域(homrodomain)。

果蝇的同源结构域分成为几组,主要是由BX-C/ANT-C复盒座位中同源异形基因组成。它们被称为触角足组。它们的同源结构域具有70-80%的保守性,通常是存在于蛋白质的C端。在相关的engrailed和invected基因中发现了特殊序列,它和触角足组只有45%的同源性。其它类型的同源异形结构区序列存在于2~4个基因中。

在果蝇中很多含有同源异形盒的基因组成了基因族。在BX-C基因簇中有3个同源异形基因具有同源异形盒。在ANT-C复合座位中含有一组5个带有同源异形盒的同源异形基因,和4个也会有同源异形盒的其它基因。在BX-C和ANT-C中的同源异形基因有时也用HOM-C(homeotic-complex)基因来表示。

在前-后轴上HOM-C的功能是什么呢?据推测同源异形结构区上带有不同的氨基酸序列可以识别DNA上不同的靶序列。将不同的蛋白之间交换它们的同源异形结构区,这个实验表明这些蛋白主要的特异部分就在干同源异形结构区。但它们与特异的DNA靶位点的结合能力并不能表明它们的特点。例如,这些蛋白中的某一些在前后呼应中要么能激活转录,要么能抑制转录,它们的活性依赖于另一套能结合DNA,而却不识别DNA的蛋白。在这一组基因中密切相关的一些成员的同源结构区之间的相似性表明它们能识别靶位点的重叠模式。这样为组合效应开劈了一条途经,使带有相关同源异形结构域的蛋白之间就能像依赖质量差异一样依赖于数量,对同一位点,进行竞争。在有的情况下,不同的同源异形蛋白识别DNA上相同的靶位点,这也提出了有关它作用特异性的难题;估计DNA结合位点上仍存在着微小的差异或者存在着相互作用,例如蛋白质之间的相互作用。

同源异形盒模体在进化中广泛存在。其重要意义是通过同源异形盒探针与很多真核的基因组进行杂交而获得。在蛙,小鼠和人的DNA都发现同源异形盒的存在。在蛙和哺乳动物基因在胚胎发生的早期表达增强了与果蝇一些基因的平行关系,表明可能这些会有同源异形的基因与各种生物胚胎发育中基因调节有关。

在哺乳动物(可能所有动物)中那些与HOM-C组相关的基因都具有一个显著的特点:它们像BX-C/ANT-C复合座位一样组成基因簇。其中单个的哺乳动物的基因称为Hox基因,其基因簇可达20-100kb,含有的基因可多达10个。4个Hox家族,基因含有同源异形盒,它们在小鼠和人类的基因组中被描叙。

通过比较同源异形盒的序列表明哺乳动物中Hox基的排列和果蝇的同源基因是一致的。如HoxA4和HoxB4与Dfd最相关。当哺乳动物的Hox基因簇和果蝇的同源异形盒基因簇的关系确定之后,人们就能识别一系列与ANT-C和BX-C基因簇相关的基因。哺乳动物Hox基因1~9组已被确定和ANT-C 和BX-C座位的序列相一致。10~13组是通过串联重复产生的,与9组产生差异。在每一个基因簇中的相应座位有时称为平行进化同源基因(paralogs),例如HoxA4和HoxB4就是平等进化同源基因。若果蝇和哺乳动物某一点上产生分歧的话,那么果蝇就可能存在只有单个的复合座位于,(如ANT-C和BX-C不同源)而复合座位含有的各基因都限定了前后极性。文昌鱼(Amphioxus)其进化路线是和脊椎动物平行的。这种生物有单个的Hox基因簇,含有平行进化同源基因组中的一个成员;是原始基因簇的典型。在进化中果蝇的这些基因分成为两个基因簇,而哺乳动 物整个一组基因发生了重复,在重复之后个别成员从各个复合座位中丢失了。

这些基因在小鼠和果蝇中的排列和空间表达的方式都表现出平行性。在Hox基因簇中的基因在胚胎中表达方式是两者在基因组中的组成呈对应的。这样一来产生了一种很大的可能性,即基因簇不仅分担了共同的进化,而且在基因组的组成与果蝇,小鼠空间表达的相关性中维持了相同的功能,在同源基因之间还存在着某些一致性。小鼠的Hox D4 或HoxB6在果蝇中的异位表达产生的同源异形转化与Dfd或Antp的同源异形表达的结果完全相同。从而证实对二者关系的推论。由于小鼠和果蝇蛋白之间的同源性,结果使它们保持了几乎是它们所特有的异形结构域,这就加强了这样的观点,即结构域决定特异性。

Hox基因很小,但具有大量的蛋白编码单位。小鼠的HoxB基因簇长120kb 左右,含9个基因。基因组中的的位置和胚胎中表达两者之间的连接与果蝇中的情况相类似,但前面只描叙了基因的本身;现在尚没有掌握有关顺式-作用位点的信息。这是因为在脊椎动物中通过各种突变来得出结论是十分困难的。但已发现控制Hox 基因仅通过上游区域的启动子增强子。这还要得看是否广泛地存在着突变基因的副本,是否存在果蝇同源异形基因的复合控区。

在果蝇中每个基因都是唯一的,但在脊椎动物中基因簇的重复使多基因(平等进化同源基因)具有相同或十分相似的表达模式。若平行进化同源基因有冗余或部分的冗余功能,那么缺乏一种产物至少可以被另一个基因簇相应基因产物所代替,因此突变的效应也就可减少到最小的程度。

小鼠中的Hox基因通过重排也可被破坏而导致隐性致死。在头部胸部的结构变异体中HoxA1和HoxA表达缺陷。不是在所有结构中突变基因都错误表达,表明确实存在功能的冗余性。即1组或3组的Hox基因能弥补某些组织,缺乏HoxA基因而不是所有其它组织对HoxA基因的缺乏。

在小鼠中同样的突变能引起同源异形转化,但要比果蝇中少。例如HoxC8的缺失使某些骨节出现前部骨节的表型。这还要看此是否是一般规律。

Hox基因的异位表达已成功地用于论证,这些基因能使一些体节的特征发生相应的转化。最常见的是果蝇的前部体节出现了后部体节的表型。其实同源异型基因的表达是加上了附加信息。这些附加信息控制了后部体节的特征。在小鼠中也获得了相似的效应。但模式不完全一致。

这些清楚表明Hox基因与果蝇决定前后轴发育模式的基因簇很相似。可能存在着Hox基因表达的组合密码子或者可能在平行进化同源基因之间功能冗余的程度不同。但目前尚未能提出它们在决定方式中所引起作用的模型。

Hox基因座位结构仍难以解释以什么基因簇基因组的位置与胚胎的表达相一致?在进化中是如何维持下来的?一种解释是基因表达的全面控制使得一个基因只有在基因簇中才能适当地表达。但这并不真实,至少在个别情况中一些基因可从基因簇中取消掉。分析了启动子区,表明Hox基因可受控于一系列的启动子或增强子元件,启动子和增强子控制了整个的表达模式。通常这些元件是在转录起始点的上游区域。例如HoxB4能在含有这些元件的质粒中表达,并可以制备转基因鼠,但为什么在进化压力下在一个有序列的基因簇中保留着一些基因呢?一种可能是一个基因的增强子可能被埋入在另一个基因内。我们可以将一个基因易位别处时,看它是否有功能来加以判断它是否属于这种情况,若它含有相邻基因的调节元件的话,那么它被取消将影响到其它基因的表达。

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