HOX-GENE: ENTDECKUNG, EIGENSCHAFTEN UND EVOLUTION - BIOLOGIE - 2025

Die Hox-Gene sind eine große Genfamilie, die für die Regulierung der Entwicklung von Körperstrukturen verantwortlich ist. Sie wurden in allen Metazoen und in anderen Abstammungslinien wie Pflanzen und Tieren gefunden. Daher zeichnen sie sich dadurch aus, dass sie evolutionär sehr konserviert sind.

Diese Gene funktionieren wie folgt: Sie kodieren für einen Transkriptionsfaktor - ein Protein, das mit DNA interagieren kann -, das von den frühesten Entwicklungsstadien an in einem bestimmten Bereich des Individuums exprimiert wird. Diese DNA-Bindungssequenz wird als Homeobox bezeichnet.

Quelle: Antonio Quesada Díaz, über Wikimedia Commons

Mit fast 30 Jahren Forschung auf diesem Gebiet haben Wissenschaftler verschiedene Abstammungslinien untersucht und sind zu dem Schluss gekommen, dass die Expressionsmuster dieser Gene stark mit der Regionalisierung von Körperachsen verbunden sind.

Diese Beweise legen nahe, dass die Hox-Gene eine unverzichtbare Rolle bei der Entwicklung der Körperpläne von Lebewesen gespielt haben, insbesondere in Bilateria. So haben die Hox-Gene es ermöglicht, die großartige Vielfalt der Tierformen aus molekularer Sicht zu erklären.

In uns Menschen gibt es 39 Hox-Gene. Diese sind in vier Cluster oder Gruppen eingeteilt, die sich auf verschiedenen Chromosomen befinden: 7p15, 17q21.2, 12q13 und 2q31.

Entdeckung

Die Entdeckung der Hox-Gene war ein Meilenstein in der Evolutions- und Entwicklungsbiologie. Diese Gene wurden zwischen den 70er und 80er Jahren dank der Beobachtung von zwei Schlüsselmutationen in der Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, entdeckt.

Eine der Mutationen, Antennapedia, wandelt die Antennen in Beine um, während die Bithorax-Mutation die Umwandlung von Halftern (modifizierte Strukturen, typisch für geflügelte Insekten) in ein anderes Flügelpaar bewirkt.

Wie zu sehen ist, ist das Ergebnis ziemlich dramatisch, wenn die Hox-Gene Mutationen aufweisen. Und wie bei Drosophila führt die Veränderung zur Bildung von Strukturen an den falschen Stellen.

Vor der Entdeckung der Hox-Gene glaubten die meisten Biologen, dass die morphologische Vielfalt durch die Vielfalt auf DNA-Ebene unterstützt wird. Es war logisch anzunehmen, dass sich die offensichtlichen Unterschiede zwischen einem Wal und einem Kolibri beispielsweise genetisch widerspiegeln mussten.

Mit dem Aufkommen der Hox-Gene nahm dieses Denken eine vollständige Wendung und wich einem neuen Paradigma in der Biologie: einem gemeinsamen Weg der genetischen Entwicklung, der die Ontogenese der Metazoen vereint.

Was sind Hox-Gene?

Bevor Sie das Konzept der Hox-Gene definieren, müssen Sie unbedingt wissen, was ein Gen ist und wie es funktioniert. Gene sind DNA-Sequenzen, deren Botschaft in einem Phänotyp ausgedrückt wird.

Die Botschaft der DNA ist in Nukleotiden geschrieben, in einigen Fällen gehen diese in eine Messenger-RNA über und diese wird von Ribosomen in eine Sequenz von Aminosäuren übersetzt - die strukturellen "Bausteine" von Proteinen.

Hox-Gene sind die bekannteste Klasse homöotischer Gene, deren Funktion darin besteht, bestimmte Muster von Körperstrukturen zu steuern. Diese sind für die Kontrolle der Identität der Segmente entlang der anteroposterioren Achse der Tiere verantwortlich.

Sie gehören zu einer einzigen Familie von Genen, die für ein Protein kodieren, das eine spezifische Aminosäuresequenz aufweist, die mit dem DNA-Molekül interagieren kann.

Daher kommt der Begriff Homöobox, um diesen Abschnitt im Gen zu beschreiben, während er im Protein als Homöodomäne bezeichnet wird. Die Homeobox-Sequenz hat eine Sequenz von 180 Basenpaaren und diese Domänen sind unter verschiedenen Phyla evolutionär hoch konserviert.

Dank dieser Wechselwirkung mit DNA können die Hox-Gene die Transkription anderer Gene regulieren.

Terminologie

Die an diesen morphologischen Funktionen beteiligten Gene werden als homöotische Loci bezeichnet. Im Tierreich sind die wichtigsten als HOM-Loci (bei Wirbellosen) und Hox-Loci (bei Wirbeltieren) bekannt. Sie sind jedoch allgemein als Hox-Loci bekannt.

Eigenschaften

Die Hox-Gene weisen eine Reihe sehr eigenartiger und interessanter Eigenschaften auf. Diese Schlüsselaspekte helfen, seine Funktionsweise und seine mögliche Rolle in der Evolutionsbiologie zu verstehen.

Diese Gene sind in "Genkomplexen" organisiert, was bedeutet, dass sie auf den Chromosomen nahe beieinander liegen - in Bezug auf ihre räumliche Lage.

Das zweite Merkmal ist die überraschende Korrelation, die zwischen der Reihenfolge der Gene in der DNA-Sequenz und der anteroposterioren Position der Produkte dieser Gene im Embryo besteht. Im wahrsten Sinne des Wortes befinden sich die Gene, die "vorwärts" gehen, in dieser Position.

In ähnlicher Weise besteht zusätzlich zur räumlichen Kollinearität eine zeitliche Korrelation. Gene, die sich am 3'-Ende befinden, treten früher in der Entwicklung des Individuums auf als solche, die weiter hinten gefunden wurden.

Die Hox-Gene gehören zu einer Klasse namens ANTP, zu der auch die ParaHox-Gene (die mit diesen verwandt sind), NK-Gene und andere gehören.

Evolution von Genen

Keine Gene der ANTP-Klasse stammten von den Metazoen. In der evolutionären Entwicklung dieser Tiergruppe trennten sich die Porifere als erste Gruppe, gefolgt von den Nesseltieren. Diese beiden Linien repräsentieren die beiden Grundgruppen der Bilateralen.

Genetische Analysen des berühmten Schwamms Amphimedon queenslandica - sein Ruhm beruht auf Genen für das Nervensystem - ergaben, dass dieses poröse Material mehrere Gene vom Typ NK aufweist, jedoch keine Hox- oder ParaHox-Gene.

Hox-Gene als solche wurden bei Nesseltieren, die die oben genannten Eigenschaften erfüllen, nicht berichtet. Es gibt jedoch Hox-ähnliche Gene.

Auf der anderen Seite haben wirbellose Tiere einen einzelnen Cluster von Hox-Genen, während Wirbeltiere mehrere Kopien haben. Diese Tatsache war entscheidend und hat die Entwicklung von Theorien über die Entwicklung der Gruppe inspiriert.

Herkunft der Wirbeltiere

Die klassische Sichtweise dieses Aspekts argumentiert, dass die vier Gencluster im menschlichen Genom dank zweier Replikationsrunden des gesamten Genoms entstanden sind. Die Entwicklung neuer Sequenzierungstechnologien hat jedoch Zweifel an der Theorie aufkommen lassen.

Die neuen Erkenntnisse sprechen für die Hypothese kleiner Ereignisse (Segmentduplikation, individuelle Duplikation von Genen und Translokationen), die die hohe Anzahl von Hox-Genen erreicht haben, die wir heute in dieser Gruppe beobachten.

Verweise

1. D. Acampora, M. D'esposito, A. Faiella, M. Pannese, E. Migliaccio, F. Morelli, … & E. Boncinelli (1989). Die humane HOX-Genfamilie. Nucleic Acid Research, 17 (24), 10385 & ndash; 10402.
2. Ferner, DE (2011). Hox- und ParaHox-Gene in Evolution, Entwicklung und Genomik. Genomics, Proteomics & Bioinformatics, 9 (3), 63-4.
3. Hrycaj, SM & Wellik, DM (2016). Hox-Gene und Evolution. F1000Research, 5, F1000 Faculty Rev-859.
4. Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A. & Halliday, HL (2006). HOX-Gene: verführerische Wissenschaft, mysteriöse Mechanismen. The Ulster Medical Journal, 75 (1), 23-31.
5. Pearson, JC, Lemons, D. & McGinnis, W. (2005). Modulation der Hox-Genfunktionen während der Strukturierung des Tierkörpers. Nature Reviews Genetics, 6 (12), 893.