HOX-GENEN: ONTDEKKING, KENMERKEN EN EVOLUTIE - BIOLOGIE - 2026

De Hox-genen zijn een grote genfamilie die verantwoordelijk is voor het reguleren van de ontwikkeling van lichaamsstructuren. Ze zijn gevonden in alle metazoans en in andere geslachten, zoals planten en dieren. Daarom worden ze gekenmerkt doordat ze evolutionair zeer geconserveerd zijn.

Deze genen werken als volgt: ze coderen voor een transcriptiefactor - een eiwit dat in staat is om te interageren met DNA - die vanaf de vroegste ontwikkelingsstadia tot expressie wordt gebracht in een specifiek gebied van het individu. Deze DNA-bindingssequentie wordt een homeobox genoemd.

Bron: Antonio Quesada Díaz, via Wikimedia Commons

Met bijna 30 jaar onderzoek op dit gebied hebben wetenschappers verschillende afstammingslijnen bestudeerd en geconcludeerd dat de expressiepatronen van deze genen sterk geassocieerd zijn met de regionalisering van lichaamsassen.

Dit bewijs suggereert dat de Hox-genen een onmisbare rol hebben gespeeld in de evolutie van de lichamelijke plannen van levende wezens, met name in Bilateria. De Hox-genen hebben het dus mogelijk gemaakt om de prachtige diversiteit van dierlijke vormen vanuit een moleculair perspectief te verklaren.

Bij ons mensen zijn er 39 Hox-genen. Deze zijn gegroepeerd in vier clusters of groepen, gelegen op verschillende chromosomen: 7p15, 17q21.2, 12q13 en 2q31.

Ontdekking

De ontdekking van de Hox-genen was een mijlpaal in de evolutionaire en ontwikkelingsbiologie. Deze genen werden ontdekt tussen de jaren 70 en 80 dankzij de waarneming van twee belangrijke mutaties in de fruitvlieg, Drosophila melanogaster.

Een van de mutaties, antennapedia, verandert de antennes in poten, terwijl de bithorax-mutatie de transformatie van halteres (gemodificeerde structuren, typisch voor gevleugelde insecten) in een ander paar vleugels veroorzaakt.

Zoals te zien is, is het resultaat hiervan behoorlijk dramatisch als de Hox-genen mutaties hebben. En, net als bij Drosophila, leidt de verandering tot de vorming van structuren op de verkeerde plaatsen.

Vóór de ontdekking van de Hox-genen geloofden de meeste biologen dat morfologische diversiteit werd ondersteund door variatie op DNA-niveau. Het was logisch om aan te nemen dat de voor de hand liggende verschillen tussen bijvoorbeeld een walvis en een kolibrie in genetische termen moesten worden weerspiegeld.

Met de komst van de Hox-genen nam dit denken een complete wending en maakte plaats voor een nieuw paradigma in de biologie: een gemeenschappelijk pad van genetische ontwikkeling dat de ontogenie van Metazoans verenigt.

Wat zijn Hox-genen?

Voordat u het concept van Hox-genen definieert, is het essentieel om te weten wat een gen is en hoe het werkt. Genen zijn DNA-sequenties waarvan de boodschap wordt uitgedrukt in een fenotype.

De boodschap van DNA is geschreven in nucleotiden, in sommige gevallen gaan deze over in een boodschapper-RNA en dit wordt door ribosomen vertaald in een sequentie van aminozuren - de structurele "bouwstenen" van eiwitten.

Hox-genen zijn de bekendste klasse van homeotische genen, waarvan de functie is om specifieke patronen van lichaamsstructuren te controleren. Deze zijn verantwoordelijk voor het controleren van de identiteit van de segmenten langs de anteroposterieure as van de dieren.

Ze behoren tot een enkele familie van genen die coderen voor een eiwit met een specifieke aminozuursequentie die in staat is om in wisselwerking te treden met het DNA-molecuul.

Dit is waar de term homeobox vandaan komt om deze sectie in het gen te beschrijven, terwijl het in het eiwit homeodomein wordt genoemd. De homeobox-sequentie heeft een sequentie van 180 basenparen en deze domeinen zijn evolutionair sterk geconserveerd onder verschillende Phyla.

Dankzij deze interactie met DNA kunnen de Hox-genen de transcriptie van andere genen reguleren.

Terminologie

De genen die bij deze morfologische functies betrokken zijn, worden homeotische loci genoemd. In het dierenrijk staan ​​de belangrijkste bekend als HOM-loci (bij ongewervelde dieren) en Hox-loci (bij gewervelde dieren). Ze zijn echter algemeen bekend als Hox loci.

kenmerken

De Hox-genen hebben een reeks zeer eigenaardige en interessante kenmerken. Deze sleutelaspecten helpen om het functioneren en de mogelijke rol ervan in de evolutiebiologie te begrijpen.

Deze genen zijn georganiseerd in "gencomplexen", wat betekent dat ze dicht bij elkaar op de chromosomen staan ​​- in termen van hun ruimtelijke locatie.

Het tweede kenmerk is de verrassende correlatie die bestaat tussen de volgorde van de genen in de DNA-sequentie en de anteroposterieure locatie van de producten van deze genen in het embryo. Letterlijk de genen die "vooruit" gaan, bevinden zich in die positie.

Evenzo is er naast ruimtelijke collineariteit een tijdelijke correlatie. Genen die zich aan het 3'-uiteinde bevinden, komen eerder in de ontwikkeling van het individu voor, vergeleken met die verder terug.

De Hox-genen behoren tot een klasse die ANTP wordt genoemd, die ook de ParaHox-genen (verwant aan deze), NK-genen en andere omvat.

Evolutie van genen

Geen genen van de ANTP-klasse waren afkomstig van de Metazoans. In de evolutionaire ontwikkeling van deze diergroep waren de poriferen de eerste groep die zich scheidde, gevolgd door de cnidarians. Deze twee lijnen vertegenwoordigen de twee basale groepen van bilaterale groepen.

Genetische analyse uitgevoerd op de beroemde spons Amphimedon queenslandica - zijn bekendheid is te danken aan genen voor het zenuwstelsel - onthulde dat deze poreuze soort verschillende genen van het NK-type heeft, maar geen Hox- of ParaHox-genen.

Hox-genen als zodanig zijn niet gerapporteerd bij cnidarians die voldoen aan de bovengenoemde kenmerken. Er zijn echter Hox-achtige genen.

Aan de andere kant hebben ongewervelde dieren een enkel cluster van Hox-genen, terwijl gewervelde dieren meerdere kopieën hebben. Dit feit is cruciaal geweest en heeft de ontwikkeling van theorieën over de evolutie van de groep geïnspireerd.

Herkomst van gewervelde dieren

De klassieke opvatting van dit aspect stelt dat de vier genclusters in het menselijk genoom zijn ontstaan ​​dankzij twee replicatieronden van het gehele genoom. De ontwikkeling van nieuwe sequentietechnologieën heeft de theorie echter in twijfel getrokken.

Het nieuwe bewijs ondersteunt de hypothese met betrekking tot kleinschalige gebeurtenissen (segmentduplicatie, individuele duplicatie van genen en translocaties) die het hoge aantal Hox-genen hebben bereikt dat we vandaag in deze groep waarnemen.

Referenties

1. Acampora, D., D'esposito, M., Faiella, A., Pannese, M., Migliaccio, E., Morelli, F.,… & Boncinelli, E. (1989). De menselijke HOX-genfamilie. Onderzoek naar nucleïnezuren, 17 (24), 10385-10402.
2. Ferner, DE (2011). Hox- en ParaHox-genen in evolutie, ontwikkeling en genomica. Genomica, proteomica en bio-informatica, 9 (3), 63-4.
3. Hrycaj, SM en Wellik, DM (2016). Hox-genen en evolutie. F1000Research, 5, F1000 Faculteit Rev-859.
4. Lappin, TR, Grier, DG, Thompson, A., & Halliday, HL (2006). HOX-genen: verleidelijke wetenschap, mysterieuze mechanismen. The Ulster Medical Journal, 75 (1), 23-31.
5. Pearson, JC, Lemons, D., & McGinnis, W. (2005). Modulerende Hox-genfuncties tijdens patroonvorming van dierenlichamen. Nature Reviews Genetics, 6 (12), 893.