Geni Hox - Questo riassunto raccoglie informazioni generali sui geni Hox che vengono trattati - Developmental Biology PDF

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Questo riassunto raccoglie informazioni generali sui geni Hox che vengono trattati nel libro di biologia dello sviluppo, da cui sono state prese alcune immagini....

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GENI HOX Una volta iniziata la gastrulazione, in tutti i vertebrati la polarità anteroposteriore è specificata dall'espressione di geni Hox, che sono gli omologhi dei geni selettori omeotici (Hom-C) del moscerino della frutta. Il complesso dei geni omeotici del cromosoma 3 della Drosophila contiene i gruppi di geni omeotici Antennapedia e bithorax e può essere visto come una singola unità funzionale. I geni Hom-C sono disposti nello stesso ordine generale del loro modello di espressione lungo l'asse anteroposteriore, essendo il gene più prossimo a 3' (labial) necessario per produrre la struttura più cefalica e il gene più prossimo a 5' (AbdB) quello che specifica lo sviluppo dell'addome posteriore. Il genoma del topo e quello dell'uomo contengono quattro copie del complesso Hox per serie aploide, localizzate su quattro cromosomi differenti (da Hoxa a Hoxd nel topo, da HOXA a

HOXD nell'uomo). I geni Hox/HOX dei mammiferi sono numerati da 1 a 13, a cominciare da quell'estremo di ogni complesso che viene espresso anteriormente. La Figura illustra i rapporti tra le serie dei geni omeotici della Drosophila e del topo. I geni equivalenti in ciascun complesso del topo (come HoxaL , Hoxb-l e Hoxd-l) costituiscono un gruppo paralogo. Si ritiene che i quattro complessi Hox dei mammiferi si siano formati per duplicazioni cromosomiche. Poichè non esiste una corrispondenza uno-a-uno tra i geni Hom-C della Drosophila e i geni Hox del topo, è probabile che si siano verificate duplicazioni geniche indipendenti da quando queste due ramificazioni animali hanno cominciato a essere divergenti. ESPRESSIONE DEI GENI HOX LUNGO L’ASSE DORSALE Si può osservare l'espressione dei geni Hox lungo l'asse dorsale (nel tubo neurale, nelle creste neurali, nel mesoderma parassiale e nell'ectoderma di superficie) dal limite anteriore del rombencefalo fino alla coda. Dal mesencefalo alla coda le differenti regioni dell'organismo sono caratterizzate da costellazioni differenti di espressione dei geni Hox, e si ritiene che il modello di espressione dei geni Hox specifichi le differenti regioni. In generale, i geni del gruppo paralogo 1 sono espressi dall'estremita della coda al margine anteriore del rombencefalo. I geni del gruppo paralogo 2 sono espressi in tutto il midollo spinale, ma il limite anteriore di espressione si ferma due

segmenti più caudalmente rispetto a quello dei geni del gruppo 1. I gruppi paraloghi Hox con numero più alto sono espressi soltanto nelle regioni posteriori del tubo neurale, dove formano inoltre uno schema di espressione sovrapposto. ANALISI SPERIMENTALE DEL CODICE HOX I modelli di espressione dei geni Hox murini suggeriscono un codice in cui certe combinazioni di geni Hox specificano una particolare regione dell'asse anteroposteriore. Particolari serie di geni paraloghi forniscono l'identità segmentale lungo l'asse anteroposteriore dell'organismo. Prove di tale codice derivano da tre fonti : -

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Esperimenti di inattivazione genica o «knockout», con i quali si producono topi privi di entrambe le copie di uno o più geni Hox La teratogenesi da acido retinoico, in cui embrioni di topo esposti all'acido retinoico presentano un modello atipica di espressione dei geni Hox lungo l'asse anteroposteriore e un differenziamento anomalo delle loro strutture assili L'anatomia comparata, in cui i tipi di vertebre nelle differenti specie di vertebrati sono correlati con la costellazione di espressione dei geni Hox.

TERATOGENESI DA ACIDO RETINOICO Si osservano alterazioni omeotiche anche quando embrioni di topo sono esposti a dosi teratogene di acido retinoico (RA), un derivato della vitamina A. A 7 giorni di sviluppo si è stabilito un gradiente dell'RA, che è elevato nelle regioni posteriori e basso nelle parti anteriori dell'embrione. Questo gradiente è regolato da una differente sintesi o degradazione dell'RA in parti differenti dell'embrione. Diversi geni Hox hanno nei loro enhancer siti recettori per l'acido retinoico, e l'acido retinoico esogeno somministrato ad embrioni di topo in utero può far sì che certi geni Hox vengano espressi in gruppi di cellule che di solito non li esprimono. Inoltre, anomalie craniofacciali degli embrioni di topo esposti a dosi teratogene di RA possono esser e riprodotte inducendo l'espressione

di Hoxa-7 in tutto l'embrione. L'RA esogeno potrebbe imitare le concentrazioni di RA che si trovano normalmente soltanto nelle cellule posteriori. Se alte dosi di RA possono attivare i geni Hox in sedi non appropriate lungo l'asse anteroposteriore, e se la costellazione dei geni Hox attivi specifica la regione dell'asse anteroposteriore, allora i topi che hanno ricevuto RA in utero dovrebbero presentare trasformazioni omeotiche che si manifestano come malformazioni di cranializzazione lungo tutto l'asse. È stato scoperto che effettivamente i topi di tipo selvatico hanno 7 vertebre cervicali, 13 vertebre toraciche (articolate con le coste) e 6 vertebre lombari, oltre alle vertebre sacrali e caudali. Negli embrioni esposti all'RA all'ottavo giorno di gestazione (durante la gastrulazione) , la prima o le prime due vertebre lombari erano trasformate in vertebre toraciche (con le coste),mentre la prima vertebra sacrale diventava spesso una vertebra lombare. In alcuni casi

non si formava l'intera regione posteriore dell'embrione. Queste modificazioni di struttura erano correlate con modificazioni della costellazione di geni Hox espressi in questi tessuti. Per esempio , quando si somministrava RA ad embrioni all'ottavo giorno, l'espressione di Hoxa-10 era spostata caudalmente e si formavano coste soprannumerarie in quella che doveva essere la prima vertebra lombare. Quando i geni Hox posteriori non si esprimevano affatto, non si formava la parte caudale dell'embrione. Le prove sperimentali indicano un codice Hox in cui costellazioni differenti di geni Hox, attivate da concentrazioni different i dell'acido retinoico, specificano le caratteristiche regionali lungo l'asse anteroposteriore. DISCENDENZA CON MODIFICAZIONI L'espressione dei geni Hox costituisce la base della specificazione dell'asse anteroposteriore in tutto il regno animale. Ciò significa che l'enorme variazione dell'aspetto morfologico nel regno animale e fondata su una serie comune di istruzioni. Infatti i geni Hox forniscono una delle prove più sorprendenti delle profonde omologie tra tutti gli animali del mondo. Come già visto, i geni Hox di phyla differenti non soltanto sono omologhi, ma si trovano anche nello stesso ordine nei rispettivi cromosomi. Sono inoltre straordinariamente simili i modelli di espressione dei geni Hox: i geni all'estremo 3' sono espressi anteriormente, mentre quelli all'estremo 5' sono espressi più caudalmente. (come mostrato in figura)

Se alla base c'è un modello di espressione dei geni Hox uniforme, come sono emerse le differenze tra i phyla? Sembrano esistere almeno cinque modalità con cui modificazioni del legame delle proteine Hox o della loro espressione potrebbero portare a modificazioni nell'evoluzione:     

Modificazioni di elementi attivati dalle proteine Hox in geni a valle. Modificazioni di un gene Hox che conferiscono nuove proprietà alla sua proteina. Modificazioni del modello di trascrizione dei geni Hox in una regione dell'organismo. Variazione del modello di trascrizione dei geni Hox tra una regione e l'altra dell' organismo. Modificazioni del numero di geni Hox....