Система генов гомеобокса (Нох) и формирование плана тела
Система генов гомеобокса (Нох), впервые описанная у фруктовых мушек Drosophila melanogaster, составляет парадигму биологии развития. Гены Нох называются так, поскольку кодируемые ими белки, факторы транскрипции, содержат консервативный сцепленный с ДНК участок, названный гомеодоменом. (Участок гена, кодирующий гомеодомен, называется гомеобокс, давший имя семейству генов Нох.)
Большинство видов животных имеет гены Нох, а гомеодомены, кодируемые этими генами, аналогичны; тем не менее разные виды содержат отличающиеся количества генов Нох; например, дрозофилы содержат 8, а люди почти 40 генов. У человека 40 генов Нох организованы в четыре группы: А, В, С и D, в четырех разных хромосомах. Порядок индивидуальных генов в пределах групп сохраняется у разных видов.
Гены группы Нох у человека образовались вследствие серии дупликаций генов. Первоначальные события дублировали оригинальный родовой ген Нох тандемно вдоль единственной хромосомы. Последующие дупликации этого единственного набора генов Нох и перемещение новых наборов генов в другие позиции генома привело, в конечном счете, к появлению четырех групп генов у людей (и других млекопитающих), называемых Нох А, Нох В, Нох С, и Hox D.
Уникальные комбинации экспрессии генов Нох в небольших группах клеток, расположенных в конкретных областях эмбриона, определяют судьбу этих регионов. Подобно тому, как специфические комбинации единственного кластера генов Нох дрозофил экспрессируются вдоль переднезадней оси тела и регулируют экспрессию генов и, следовательно, формирование разных структур тела, млекопитающие для выполнения аналогичных задач используют множество генов Нох из разных групп.
На ранних этапах развития эмбриона факторы транскрипции Нох определяют переднезаднюю ось: группы Нох А и Нох В, например, действуют вдоль ростральнокаудальной оси, определяя индивидуальные позвонки и сомиты. На последующих этапах развития группы Нох А и Нох D определяют локальные структуры вдоль оси развивающейся конечности.
Один интересный аспект экспрессии генов Нох состоит в том, что порядок генов в группе соответствует позиции в эмбрионе, в которой ген экспрессируется, и периоду развития. Другими словами, позиция генов Нох в группе коллинеарна как с синхронизацией экспрессии, так и позицией экспрессии вдоль переднезадней оси эмбриона.
Например, в группе Нох В гены, экспрессирующиеся сначала в передней части эмбриона, расположены вместе на одном конце группы; порядок остальных генов в группе соответствует порядку, в котором они экспрессируются, соответствуя как положению вдоль переднезадней оси эмбриона, так и времени экспрессии. Хотя эта организация генов необычна и нетипична для организации генов в геноме, аналогичный феномен наблюдают в другом семействе генов человека, регулирующих развитие, — группе генов глобина.
Семейство генов Нох иллюстрирует несколько важных принципов биологии развития и эволюции. Во-первых, группа генов функционирует вместе, выполняя аналогичные общие задачи в разное время и в разных местах эмбриона. Во-вторых, гомологичные структуры создаются наборами гомологичных факторов транскрипции, производными от общих эволюционных предшественников.
Например, насекомые и млекопитающие имеют схожий основной план тела (голова впереди туловища, конечности отходят от тела, сердце и дыхательные органы предшествуют пищеварительным органам), определяемый набором генов, полученным от общих эволюционных предшественников. В-третьих, хотя это и не типично для генов, участвующих в развитии, гены Нох показывают замечательную организацию в группе, согласованную с их функционированием в ходе развития.
