5.1: פיצול ציר A/P: גנים מתחילים-הוקס, רמה נוספת של אזוריות

אזוריות בקנה מידה רחב: גנים של הוקס ומפל הפילוח

כבר הסתכלנו במהירות על גנים של הוקס, הן בקריאות שלך והן בקטע ערכת כלים גנטית. כעת נכניס אותם להקשר רחב יותר של Evo-Devo על ידי התבוננות בדוגמה ספציפית לדפוסי הוקס (מעקב אחר המקרה המוזר של סיפור Bicoid) ועל ידי ראיית עדויות לכך שאזוריות על ידי גנים של הוקס נשמרת על פני בעלי חיים. כמה אלמנטים רגולטוריים cis המניעים דפוסי ביטוי גנים של Hox נשמרים גם הם. עם זאת, אירועי ההתפתחות המוקדמים יותר שהקימו תחומי ביטוי של Hox אינם נשמרים על פני בעלי חיים, הם שונים מאוד לפעמים אפילו בתוך קבוצה. לדוגמה, למרות שכל פרוקי הרגליים מפולחים במקטעי תסיסנית מעוצבים בו זמנית, בעוד שבכמה חרקים ופרוקי רגליים אחרים הם מתעוררים בזה אחר זה. שימור דפוס הוקס למרות השונות של יצירת דפוסי A/P רחבים יותר מצביע על כך שדפוס הוקס מייצג אילוץ התפתחותי באבולוציה של בעלי חיים. כלומר, ברגע שהתבנית של הוקס התפתחה, זה היה כל כך יתרון שהוא נשמר בעיקר במשך מיליוני שנים של אבולוציה של בעלי חיים.

אנו מתמקדים בדרוזופילה למרות שמדובר במקרה מוזר של אזוריות סימולטנית מכיוון שהיא נחקרת היטב וקלה יותר להבנה מאשר אורגניזמים מודלים רבים אחרים. המבט שלנו על אזוריות ודפוסים של תסיסנית A/P ימחיש שלושה מושגים עיקריים ב- Evo-Devo:

1. ישנן מספר דרכים להגיע לשלבי התפתחות מוגבלים.
2. חלק ניכר מההתפתחות מתרחש על ידי חלוקה חוזרת ונשנית של רקמות/אזורים וציון אותם לגורלות מוגבלים יותר.
3. תפוקות ביטוי גנים מרובות יכולות לעלות זו על זו כדי לתת לתא/רקמה את זהותו הספציפית.

במחשוף ובגסטרולציה, הסתכלנו על הרעיון של שבירת סימטריה ביצירת צירים ושכבות נבט בבעלי חיים. ראינו גם כי שיפועי חלבון Bicoid ו-Nanos מנוגדים מסוגלים לציין את האזור האנטרופוסטורי הראשון בפיתוח זבובי פירות. אבל אם נחשוב על זבוב בוגר, יש להם הרבה יותר אזורים אנטרופוסטוריים מאשר פשוט ראש וזנב. לדוגמה, רק מקטעים מסוימים נושאים כנפיים או רגליים, עיני דוב אחרות או אנטנות ואחרים בעלי איברי מין או איברי הפרשה. כיצד הזבוב המתפתח "אזורי" - כלומר עובר משני שיפועים אנטרופוסטוריים מנוגדים לדפוס אנטרופוסטורי בקנה מידה עדין? כדי לענות על כך, נבחן את הגנטיקה ההתפתחותית של מפל הפילוח - סדרת השלבים המחלקת את הזבוב העוברי למחלקות משנה עדינות ועדינות יותר.

מפל פילוח התסיסנית

כאן אסכם בקצרה את מפל הפילוח, לפרטים נוספים אנא בקרו במקורות הקוטביות הקדמית-אחורית

מפל הפילוח הוא היררכי הן בזמן התפתחותי והן בוויסות ביטוי הגנים. גנים של אפקט אימהי באים לידי ביטוי מוקדם ביותר והם מווסתים את גני הפער. גנים של פערים באים לידי ביטוי לאחר מכן, ופועלים עם גני ההשפעה האימהית לוויסות הגנים של כלל הזוג. גנים של כלל זוגי וגנים של פערים מווסתים את הביטוי של הגנים של קוטביות המקטע, המתבטאים אחרונים (איור 1).

איור 1: מפל הפילוח של תסיסנית. תסיסנית מחלקת את המקטעים שלה בבת אחת, אך רוב פרוקי הרגליים (בעלי חיים באופן כללי) צומחים מאזור צמיחה אחורי שבו מתפתחים תחילה האזורים הקדמיים ביותר. שקול אילו חלקים של ביטוי והיררכיה של מפרט זה עשויים להישמר על פני אופני התפתחות שונים ואילו חלקים לא יכולים להיות. מתוך "האבולוציה של רשתות גנים התפתחותיות: לקחים ממחקרים השוואתיים על חרקים הולומטבוליים" אנדרו פיל, 2008 ב עסקאות פילוסופיות של החברה המלכותית, ב 'פורסם תחת המוסד האקדמי של החברה המלכותית רישיון אתר יחיד DOI: 10.1098/rstb.2007.2244

גנים של אפקט אימהי: Bicoid, Nanos, הגיבן וקומץ גנים אחרים של תסיסנית ידועים כגנים "אפקט אימהי". המשמעות היא שאם תשתנה אותם בזבוב נקבה, הפנוטיפ המוטנטי ייראה בצאצאיה. מכיוון שאתה כבר יודע ש-mRNA של Bicoid ו-Nanos מיוצרים על ידי תאי האם ונשאבים לתוך הביצית לפני ההפריה, זה צריך להיות די ברור למה זה. גני ההשפעה האימהית מקימים אזורים קדמיים ואחוריים רחבים בזבוב הפירות כמו גם באזורי הגב/הגחון (שלא נסקור כאן, אם כי זה סיפור די עסיסי).

גני פער: גני ההשפעה האימהית הם גורמי שעתוק ותרגום המשפיעים על הביטוי של גני הפער. גני הפער הם גורמי שעתוק המתבטאים ברצועות רחבות לאורך ציר A/P (איור 2). הם נקראים גנים פערים מכיוון שאם אחד עובר מוטציה הוא מוביל ל"פער "בעובר - לזחל יחסר חלק גדול מגופו ².

איור 2: גנים של פערים. החלונית השמאלית מציגה ביטוי mRNA של שלושה גנים של פער תסיסנית, מתוך ויקימדיה קומונס על ידי המשתמש Celefin. זוהי נגזרת של דמות מקורית מאת האקר A, צ'י D, ליליה טי, מוסיאן B, אנדריולי LP, לושניג S, מנרוויק, מ 'DOI 10.1371/journal.pbio.0050145 שפורסם תחת רישיון CC BY 2.5 לוח ימין מראה את ההשפעה של מוטציה קרופל הומוזיגוטית בעובר. צורות אפורות הן רצועות שיניים (זיפים) הנמצאות בכל קטע בטן. המוטנט של קרופל איבד 6 מהלהקות הללו, המתאימות לביטוי קרופל על פני 6 מקטעי הבטן הראשונים. פאנל ימני מאת אמנדה לו ואג'נה ריברה. גרסת svg הניתנת לעריכה של נתון זה זמינה בכתובת https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/24/

גנים של כלל זוגי: גנים ^{של פערים וגנים של אפקט אימהי משפיעים על הביטוי של הגנים של כלל הזוגי - שכל אחד מהם בא לידי ביטוי בקטעים מוזרים או אפילו 2.} אלה מעניינים במיוחד מכיוון שגנים אלה מגשרים על הפער בין אזוריות למודולריות. הם באים לידי ביטוי בתבנית מודולרית, אך מקבלים את הקלט שלהם מתבנית אזורית. מבחינה גנטית, המשמעות היא שהביטוי של כל אחד מהגנים הללו מופעל על ידי שילובים מרובים של חלבוני פער ואפקט אימהי. לדוגמה, הגן המאוחד מתבטא בשבעה פסים לאורך ציר A/P. יש לו 4 משפרי רגולציה עיקריים של cis השולטים בזה. לאלמנט אחד השולט בפסים 3 ו -7 יש אתרי קישור לגיבן ול-Knirps, שניהם מדחיקים את הביטוי המונע על ידי משפר 3+7 (איור 2). ^{משפר זה מופעל על ידי המפעיל בכל מקום (מבוטא בכל מקום) זלדה 3. האלמנט השולט בפס 2 מורכב עוד יותר עם אתרי כריכה עבור Bicoid, גיבן, Caudal, Kruppel ו- Knirps (איור 3) 4.}

דמות מאת אמנדה לו ואג'נה ריברה. קובץ svg הניתן לעריכה של נתון זה זמין בכתובת https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/26/

גנים של קוטביות מקטע: גנים של קוטביות מקטע באים לידי ביטוי בחלק הקדמי או האחורי של כל מקטע ומסייעים בהגדרת גבולות המקטע וכן בדפוס A/P של כל מקטע (איור 4). בדומה לגנים של כלל הזוגי, אלה באים לידי ביטוי בפסים לאורך כל ציר ה- A/P, ולא בתבנית אזורית כמו גנים של אפקט אימהי ופער. תחומי הביטוי של גני קוטביות המקטע מוסדרים במידה רבה על ידי הגנים של כלל הזוג והפער.

איור בשימוש באישור המו"ל.

גנים של הוקס: רמה נוספת של אזוריות

בעוד שגני ההשפעה האימהית וגני הפער מייצבים את העובר תסיסנית במידה מסוימת, לחיה הבוגרת יהיה גוף אזורי עוד יותר. דפוס הגן של Hox מספק אזוריות ברמת המקטע. הוא מציין לאן ילכו רגליים, כנפיים, אנטנות, חלקי פה, איברי מין ומבנים ייחודיים אחרים (איור 5). כפי שאתה כבר יודע, רוב בעלי החיים משתמשים בגנים של הוקס כדי לבצע דפוסי A/P וזה קצת תעלומה כיצד ומדוע כל כך הרבה אסטרטגיות התפתחות מוקדמות מגוונות מתלכדות לאותה דפוס A/P, ואז מתפצלות לתוכניות גוף מגוונות בהמשך הפיתוח.

איור 5: דפוס גנים של הוקס ב תסיסנית. מתוך "איתות גנטי: מפלי פקטור תמלול ופילוח" חינוך לטבע, 2008 ¹ © 2013 חינוך לטבע כל הזכויות שמורות. אתה רשאי לשחזר נתון זה, ללא שינויים, בצורה מודפסת או אלקטרונית למטרותיך האישיות, הלא מסחריות או לשימוש לא מסחרי בסביבה חינוכית.

עד כמה דפוס ההוקס נשמר? ראשית, כמעט לכל בעלי החיים יש גנים של הוקס ורבים מהם סינטניים - כלומר סדר הגנים של הוקס נשמר לאורך הכרומוזום. זה קשור לוויסות הגנים של הוקס, יש להם גורמים רגולטוריים דיסטליים (אחד מהם נראה בהמשך בנספחים אקטודרמליים) אך יש להם גם גורמים רגולטוריים פרוקסימליים. בבעלי חוליות, חלק מהגנים באשכול יכולים לחלוק גורמים רגולטוריים ^5. בגלל זה, סדר הגנים חשוב. אנלוגיה היא: אם אתה חולק מכונית עם השכן שלך, אתה לא יכול לעבור לשכונה חדשה מבלי לאבד את הגישה למכונית. שיתוף זה של אלמנטים הוא אילוצים אבולוציוניים שהביאו לשימור גורמים רגולטוריים אלה ולשימור התחביר של גני הוקס. ^{בשושלות חסרי חוליות, תחביר עשוי להישמר עקב קיבוץ הדוק של הגנים זה עם זה ואלמנטים רגולטוריים cis הפרוקסימליים שלהם 5. עם זאת, כמה מינים ושושלות איבדו את התחביר השמור הזה, בעיקר הנמטודות והטוניקות 5. למרות הפסדים אלה, נראה כי תחביר הוא הכלל עם לפחות שימור מסוים של סדר הגנים שנמצא ברוב הפילות שנבדקו, כולל הפילום המכיל Hox המסועף ביותר, הצנידרים 6.}

איור מאת דובוק ואח ', 2018 פורסם תחת רישיון CC 4.0 BY

קנידיאנים (כגון ג'לי וכלניות ים) הם מקרה מעניין שבו ניתן להסתכל על הגנים של הוקס מכיוון שבעוד שידוע כי הגנים של הוקס הם יסודות דפוסי A/P שמורים, לקנידרים חסר ציר A/P. איך יכול להיות שהם מפספסים משהו כל כך חשוב? ובכן זה בגלל האופן שבו אנו מגדירים קדמי ואחורי. הגדרה סטנדרטית היא שהקדמי הוא לכיוון הראש והאחורי הוא לכיוון הזנב. מה לגבי בעלי חיים שאין להם ראש ברור? אנו סופרים את פיהם וכל התכנסות של איברי חישה מרכזיים כקצה הראש וממשיכים לנוע לאורך צירם הארוך עד לקצה הגוף הקרוב ביותר. בדרך כלל, לאורך הציר הארוך של הגוף, הקצה הקרוב לפה הוא הקצה הקדמי והקצה הקרוב ביותר לפי הטבעת הוא הקצה האחורי. לצנידרים, לעומת זאת, לא רק שחסר להם ראש, הם גם חסרים איברי חישה גדולים ופה. במקום זאת יש להם טבעת מחושים (שיכולה להצביע למעלה או למטה בהתאם למין) המקיפה פתח יחיד המשמש כפה ופי הטבעת.

תרחישים אבולוציוניים רבים הוצעו להומולוגיה של הציר ה"רדיאלי "הצנידרי עם הצירים הדו-צדדיים A/P ו- D/V. גנים של הוקס הם דרך אחת להסתכל על זה. DuBuc et al ⁶ מצאו כי הומולוגים קנידאריים של גנים קדמיים של הוקס (אדום באיורים 6 ו-7) באים לידי ביטוי בקצה הפה של עובר כלנית (Cnidaria) והומולוגים קנידאריים של גנים Hox מרכזיים/אחוריים (כחול/ירוק באיור 6) באים לידי ביטוי בקצה האבורלי (הקצה מול הפה/פי הטבעת). הם גם מצאו ש-Wnt, גן העברת אותות המעורב בתהליכי התפתחות רבים כולל מפרט אנטרופוסטורי, בא לידי ביטוי בין תחומי הביטוי של Ax6, גן Hox קדמי ו-Ax1, גן Hox אחורי

איור 7: הומולוגיזציה של הציר הפה/האבורלי בקנידריה לציר האנטרופוסטורי בבילטריה. הלוח העליון מציג דפוסי ביטוי גנים Hox קדמיים (אדומים) ומרכזיים/אחוריים (ירוקים כהים) בבילטריה מייצגת, כולל חולייתנים, annelid וחרק. הלוח התחתון מציג את התוצאות של ניסויי הפרעות ב Nematostella. DuBuc et al העלו (חץ למעלה) או הורידו (חץ למטה) את רמות הביטוי של גן Hox קדמי (Ax6) וגן Hox אחורי (Ax1). הם גילו שהורדת Ax6 או העלאת Ax1 גרמו לאובדן של מבנים קדמיים ולאי-ספטרניג של האנדומסודרם. העלאת Ax6 או הורדת Ax1 גרמו להיווצרות רקמת פה נוספת והורדת Ax1 גרמה בנוסף לאובדן מבנים אבורליים. ^{יחד נתונים אלה תומכים בהומולוגיה בין ציר הפה/האבורלי של Cnidaria לציר האנטרופוסטורי של Bilateria 6.} קובץ svg הניתן לעריכה של נתון זה זמין בכתובת https://scholarlycommons.pacific.edu/open-images/25/