动物形态蓝图的设计师——同源异形盒HOX基因

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Cell：科学家解决重要生物学悖论
" u( V6 x. f4 `% T! C来源：生物360 / 作者：koo / 2015-01-259 {( R% D$ Y1 g" k! a3 c
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沿动物体轴的解剖特点有着显著的差异——例如头部、胸部和腹部的差异，这些差异是由Hox蛋白家族成员决定的。但是，几乎就在Hox基因刚被发现时，科学家们就开始思索，不同的Hox蛋白如何能够激活特定的基因？因为所有这些蛋白能够结合相同的DNA序列。最近，美国霍华德休斯医学研究所的科学家David Stern称，他和他的同事们已经解决了这个悖论。
+ Q* s6 Y4 {/ _' B0 G' u! tStern——霍华德休斯医学研究所Janelia Research Campus的研究组长，及其博士后研究人员Justin Crocker，与哥伦比亚大学的Richard Mann合作，调查了“Hox特异性悖论”。他们的研究表明，Hox蛋白通过与基因组中先前未知的DNA结合位点之间的弱相互作用，触发基因的活性，而不是研究更深入的和更容易识别的高亲和力结合位点。
7 O8 D/ f6 W$ _Stern说：“这些位点——我们一直认为是很好的Hox位点，并没有提供决定动物身体前后轴差异的特异性。高亲和力位点并不是造就动物的位点。”Stern、Mann及其同事将其研究成果发表在2015年1月15日的《Cell》杂志。8 x8 }, q: ]3 p( V
Hox基因可产生称为转录因子的蛋白质，转录因子通过结合DNA并打开相应的基因，可帮助塑造动物身体不同部分的身份。果蝇有8个不同的Hox基因；人类有40个以上。但是Stern说，几十年来，Hox蛋白之间很强的相似性一直都困惑着科学家们。
& }4 h- L0 t9 L0 ^1 C; j, a他说：“所有的Hox基因，实际结合DNA的结构域有着非常相似的蛋白质序列。然而，它们必须要调节不同的基因亚群，以使头部不同于胸部和腹部。它们是如何做到这一点的，并不是完全清楚。”
5 g8 t8 a% ]7 r$ U7 o- e; M' w! x各种实验方法都不能解释不同Hox蛋白如何靶定独特的基因。不同Hox基因的结构表明，它们都以极高的亲和力与相同的DNA序列结合。当Hox蛋白与DNA在试管中混合时，它们都倾向于结合相同的序列。Mann在2009年发现，蛋白质辅助因子通常结合与Hox蛋白在一起的DNA，从而使得Hox结合的细节更加复杂：当一个Hox蛋白及其辅助因子结合邻近的DNA片段时，它们会产生稳定的结构，可识别DNA中的特定形状，这些新结构根据Hox蛋白质而有所不同。但是Stern说，在试管实验中，Hox蛋白加上它们的辅助因子，仍然结合相同的序列。他解释说：“你得到了一些特异性，但不是很多。”所以悖论继续存在。. `* v2 U7 u' s- w; Y
在对物种多样性的遗传原因的研究中，Stern详细地检测了shavenbaby基因的调控，该基因可驱动一种特定模式的短、粗壮毛发（称为毛状体）的产生，其存在于果蝇幼虫中。Shavenbaby在穿过果蝇幼虫某些体段的条纹中是打开的，表明它可能处于Hox的控制之下。所以当Stern和Mann决定共同努力弄清Hox蛋白如何获得其特异性时，shavenbaby似乎是一个很好的开始。
5 G! u; X( d. H/ oStern实验室博士后Crocker表明，该基因实际上处于一个Hox蛋白（称为Ubx）的控制之下，他发现当Ubx缺失时，Ubx结构域中没有产生毛状体。相反，通过将Ubx引入其他体段，他能够制备一种果蝇，具有不属于它们的毛状体。然后，他发现，Ubx控制两个影响shavenbaby表达的特异性增强子区域。
0 {! l) X: ?7 `1 xUbx对shavenbaby增强子的影响似乎很明确，然而，当科学家们检测增强子的DNA序列时，他们找不到任何与经典Hox结合位点相似的区域。所以，Mann实验室利用生化实验来寻找Ubx结合的物理证据。通过在同一时间扫描增强子片段，他们存在Hox辅助因子的情况下，发现了Ubx微弱结合的位点。每个增强子包含一组这些低亲和力的结合位点。Stern说：“这些序列看起来根本不像以前已知的Hox结合位点——一个都不像。”
3 x" Z2 C; V6 U# a) [3 y, e当Crocker制备具有这些序列突变的果蝇时，shavenbaby表达和毛状体生产都受到影响。一个Ubx结合位点不足以激活这个基因，但是当结合位点集群是完整的时候，足够的Ubx可结合增强子，激活shavenbaby，并开启毛状体的生产。该研究小组利用来自不同种果蝇shavenbaby增强子，也获得了相似的结果。科学家们认为，Hox蛋白通过结合基因组中低亲和力的位点集群，而获得特异性。实际上，他们指出，许多转录因子可能与低亲和力位点集群结合，他们的发现可能广泛应用于Hox家族基因调控之外。
. w# z# I1 {- G7 |; }! p这些结果解释了为什么科学家们很难根据序列数据预测Hox蛋白与DNA的结合部位，Stern说：“对于Hox基因来说，生物信息学分析大致上已经无用了。现在我们知道了其中的原因。它们没有结合每个人都认为它们会结合的部位——它们结合这些看起来甚至不像Hox结合位点的部位。”. M+ U; S; M3 P: m
Mann补充说：“很多领域一直专注于高亲和力位点这些容易实现的目标，它们更容易通过计算方法识别。但是我们需要探讨这些低亲和力结合位点，以真正理解特异性问题。”& I* D+ A/ _. ?
Stern说，该研究还强调了量化增强子功能影响的重要性。当研究小组逐个淘汰shavenbaby增强子中的Hox结合位点时，所导致的基因表达变化是很细微的。Crocker说：“每一次我们做实验和分析数据，它看起来都同样有效。”但是通过计算单个毛状体和开发基因表达的其他量化措施，Crocker能够提供每个位点重要性的有力证据。
* g- U! O1 [$ A; O+ K6 {该研究小组继续检测当他们将果蝇暴露于不太理想的条件（较高或较低温度，以及Ubx降低的基因水平）时，对增强子功能有何影响？在这种情况下，所有Ubx结合位点是保持正常shavenbaby活性所必需的。Stern称：“这证明，这些位点集群是提供增强子稳健性的部位。”
3 c* I8 d, C/ E9 i4 y- F原文检索：$ `. \; o3 t, H0 u- ]& \# i9 i+ Q# I
Low Affinity Binding Site Clusters Confer Hox Specificity and Regulatory Robustness
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' t" }' H1 K6 ~. L) f/ _【Hox基因】http://www.baike.com/wiki/Hox基因
3 c1 d4 A: ?5 s4 o! T& I开放分类： 发育生物学 生命科学 科学 自然科学 遗传学$ Q" C9 I! ~! k0 B0 b; _) c
HOX基因就是同源异形盒基因家族。同源异形盒是一类含有同源框的基因。在胚胎发育中的表达水平对于组织和器官的形成具有重要的调控作用。该类基因的突变，就会在胚胎发育过程中导致某一器官异位生长，即本来应该形成的正常结构被其他器官取代了。已发现的 Hox基因的产物基本上都是转录因子，同源框的蛋白产物呈螺旋-转角-螺旋的立体构型，可以和DNA双螺旋的主沟吻合，附着于邻近于TAAT的碱基。5 B. A; h) ]4 a- w) z/ J0 F* H

0 L1 w! p, I9 C) K: gHox基因是一种“同源异形”基因，是动物形态蓝图的设计师，在发育过程中控制身体各部分形成的位置。如果同源异形基因发生突变，会使动物某一部位的器官变成其 他部位的器官，叫做同源异形。同源异形盒是一类含有同源框的基因。在胚胎发育中的表达水平对于组织和器官的形成具有重要的调控作用。该类基因的突变，就会在胚胎发育过程中导致某一器官异位生长，即本来应该形成的正常结构被其他器官取代了。例如，果蝇的同源异型基因Antp（触角基因）的突变，导致果蝇的一对触角被两只腿所取代。, I5 \! l' X; `+ E! ~8 U1 ?6 r
已发现的 Hox基因的产物基本上都是转录因子，同源框的蛋白产物呈螺旋-转角-螺旋的立体构型，可以和DNA双螺旋的主沟吻合，附着于邻近于TAAT的碱基，由于它能识别所控制的基因启动子的特异序列，从而在转录水平调控基因表达。不仅在果蝇中,在小鼠,人等哺乳动物中也存在有同源异型基因,称Hox基因家族。! K: e/ r; I% Z3 c" _
Hox基因 - 举例说明 9 x8 `$ H# {% `* O' ]4 @
控制果蝇发育的3组基因：母体基因，分节基因和同源异形基因。其中的一组调节另外两个中的一组基因和编码结构基因的靶基因。调节基因之间的相互作用是通过分析其它基因发生突变时相应基因的表达改变来确定的。但目前只鉴别出少数几个结构靶基因，3组调节基因作用在靶上，使得身体的各部分产生分化。- A# Y' X' R! t! a& u9 ^! G8 D  r
在不同区域之间改变Hox基因应该表現的情形也是一種原因
  J6 r" r4 A% z& c在不同区域之间改变Hox基因应该表現的情形也是一種原因图册
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8 u- F$ t- F6 ]  ?1 S+ j! s0 }* p# M! h分节基因编码的蛋白调节转录，3个裂缺座位（hb,kr,KNI）基因含有锌指模体。在转录因子TF和SP1中的模体是负责和DNA连接。裂缺基因中其它座位的产物也有DNA-结合模体；giant编码的蛋白具有氨基酸拉链模体；而tailless编码的蛋白与类固醇受体相似。这表明裂缺基因的一般功能是转录调节。
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在很多同源异形基因和分节基因中发现了保守的模体。普遍的模体是同源异形盒，它是位于各种分节基因和同源异形座位转达录单位3＇端附近的180bp的区域。此序列是开放读框的一部分。在这个序列中密码子的第三个碱基常发性改变。同源异形盒的大小及序列都是固定不变的。约有40个基因含有同源异形盒，而且这些基因几乎都和发育调节有关（同源异形盒是通过它在同源异形基因中超优势度（predominance）而首先被鉴别出来的，因此而得名）。由同源异形盒编码的蛋白序列称之为同源结构域（homrodomain）。
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4 {7 ?3 q6 {4 [$ I果蝇的同源结构域分成为几组，主要是由BX-C/ANT-C复盒座位中同源异形基因组成。它们被称为触角足组。它们的同源结构域具有70-80%的保守性，通常是存在于蛋白质的C端。在相关的engrailed和invected基因中发现了特殊序列，它和触角足组只有45%的同源性。其它类型的同源异形结构区序列存在于2～4个基因中。
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& ^$ _9 I& s) n, d, c在果蝇中很多含有同源异形盒的基因组成了基因族。在BX-C基因簇中有3个同源异形基因具有同源异形盒。在ANT-C复合座位中含有一组5个带有同源异形盒的同源异形基因，和4个也会有同源异形盒的其它基因。在BX-C和ANT-C中的同源异形基因有时也用HOM-C（homeotic-complex）基因来表示。
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# l( Z! C: T# E* K6 g在前-后轴上HOM-C的功能是什么呢？据推测同源异形结构区上带有不同的氨基酸序列可以识别DNA上不同的靶序列。将不同的蛋白之间交换它们的同源异形结构区，这个实验表明这些蛋白主要的特异部分就在干同源异形结构区。但它们与特异的DNA靶位点的结合能力并不能表明它们的特点。例如，这些蛋白中的某一些在前后呼应中要么能激活转录，要么能抑制转录，它们的活性依赖于另一套能结合DNA，而却不识别DNA的蛋白。在这一组基因中密切相关的一些成员的同源结构区之间的相似性表明它们能识别靶位点的重叠模式。这样为组合效应开劈了一条途经，使带有相关同源异形结构域的蛋白之间就能像依赖质量差异一样依赖于数量，对同一位点，进行竞争。在有的情况下，不同的同源异形蛋白识别DNA上相同的靶位点，这也提出了有关它作用特异性的难题；估计DNA结合位点上仍存在着微小的差异或者存在着相互作用，例如蛋白质之间的相互作用。
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同源异形盒模体在进化中广泛存在。其重要意义是通过同源异形盒探针与很多真核的基因组进行杂交而获得。在蛙，小鼠和人的DNA都发现同源异形盒的存在。在蛙和哺乳动物基因在胚胎发生的早期表达增强了与果蝇一些基因的平行关系，表明可能这些会有同源异形的基因与各种生物胚胎发育中基因调节有关。
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9 A/ }' m' q5 R, ]) w( Q: W在哺乳动物（可能所有动物）中那些与HOM-C组相关的基因都具有一个显著的特点：它们像BX-C/ANT-C复合座位一样组成基因簇。其中单个的哺乳动物的基因称为Hox基因，其基因簇可达20-100kb，含有的基因可多达10个。4个Hox家族，基因含有同源异形盒，它们在小鼠和人类的基因组中被描叙。 4 S) z" l/ }5 E

; E: `, H: Z8 g6 ^8 M1 {1 Z6 m通过比较同源异形盒的序列表明哺乳动物中Hox基的排列和果蝇的同源基因是一致的。如HoxA4和HoxB4与Dfd最相关。当哺乳动物的Hox基因簇和果蝇的同源异形盒基因簇的关系确定之后，人们就能识别一系列与ANT-C和BX-C基因簇相关的基因。哺乳动物Hox基因1～9组已被确定和ANT-C 和BX-C座位的序列相一致。10～13组是通过串联重复产生的，与9组产生差异。在每一个基因簇中的相应座位有时称为平行进化同源基因（paralogs），例如HoxA4和HoxB4就是平等进化同源基因。若果蝇和哺乳动物某一点上产生分歧的话，那么果蝇就可能存在只有单个的复合座位于，（如ANT-C和BX-C不同源）而复合座位含有的各基因都限定了前后极性。文昌鱼（Amphioxus）其进化路线是和脊椎动物平行的。这种生物有单个的Hox基因簇，含有平行进化同源基因组中的一个成员；是原始基因簇的典型。在进化中果蝇的这些基因分成为两个基因簇，而哺乳动 物整个一组基因发生了重复，在重复之后个别成员从各个复合座位中丢失了。
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$ g3 x3 n1 x7 J! y4 _! l8 U这些基因在小鼠和果蝇中的排列和空间表达的方式都表现出平行性。在Hox基因簇中的基因在胚胎中表达方式是两者在基因组中的组成呈对应的。这样一来产生了一种很大的可能性，即基因簇不仅分担了共同的进化，而且在基因组的组成与果蝇，小鼠空间表达的相关性中维持了相同的功能，在同源基因之间还存在着某些一致性。小鼠的Hox D4 或HoxB6在果蝇中的异位表达产生的同源异形转化与Dfd或Antp的同源异形表达的结果完全相同。从而证实对二者关系的推论。由于小鼠和果蝇蛋白之间的同源性，结果使它们保持了几乎是它们所特有的异形结构域，这就加强了这样的观点，即结构域决定特异性。
" p+ f0 T. R2 r' {/ n7 D9 f& I$ b老鼠的Hox基因特性与人类相似，分别位在6号、11号、15号与2号染色体
; F6 X4 D. H9 C% ^/ I老鼠的Hox基因特性与人类相似，分别位在6号、11号、15号与2号染色体图册+ Q0 k. K2 |( P
Hox基因很小，但具有大量的蛋白编码单位。小鼠的HoxB基因簇长120kb 左右，含9个基因。基因组中的的位置和胚胎中表达两者之间的连接与果蝇中的情况相类似，但前面只描叙了基因的本身；现在尚没有掌握有关顺式-作用位点的信息。这是因为在脊椎动物中通过各种突变来得出结论是十分困难的。但已发现控制Hox 基因仅通过上游区域的启动子和增强子。这还要得看是否广泛地存在着突变基因的副本，是否存在果蝇同源异形基因的复合控区。 * t( q  }# Q; u2 Y9 }' _
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在果蝇中每个基因都是唯一的，但在脊椎动物中基因簇的重复使多基因（平等进化同源基因）具有相同或十分相似的表达模式。若平行进化同源基因有冗余或部分的冗余功能，那么缺乏一种产物至少可以被另一个基因簇相应基因产物所代替，因此突变的效应也就可减少到最小的程度。
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小鼠中的Hox基因通过重排也可被破坏而导致隐性致死。在头部和胸部的结构变异体中HoxA1和HoxA表达缺陷。不是在所有结构中突变基因都错误表达，表明确实存在功能的冗余性。即1组或3组的Hox基因能弥补某些组织，缺乏HoxA基因而不是所有其它组织对HoxA基因的缺乏。
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在小鼠中同样的突变能引起同源异形转化，但要比果蝇中少。例如HoxC8的缺失使某些骨节出现前部骨节的表型。这还要看此是否是一般规律。
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$ h! F5 o* L5 _2 g) O2 g' o* ]Hox基因的异位表达已成功地用于论证，这些基因能使一些体节的特征发生相应的转化。最常见的是果蝇的前部体节出现了后部体节的表型。其实同源异型基因的表达是加上了附加信息。这些附加信息控制了后部体节的特征。在小鼠中也获得了相似的效应。但模式不完全一致。 6 _# }$ P1 J# y6 }, Z7 y- t
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这些清楚表明Hox基因与果蝇决定前后轴发育模式的基因簇很相似。可能存在着Hox基因表达的组合密码子或者可能在平行进化同源基因之间功能冗余的程度不同。但目前尚未能提出它们在决定方式中所引起作用的模型。
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Hox基因座位结构仍难以解释以什么基因簇基因组的位置与胚胎的表达相一致？在进化中是如何维持下来的？一种解释是基因表达的全面控制使得一个基因只有在基因簇中才能适当地表达。但这并不真实，至少在个别情况中一些基因可从基因簇中取消掉。分析了启动子区，表明Hox基因可受控于一系列的启动子或增强子元件，启动子和增强子控制了整个的表达模式。通常这些元件是在转录起始点的上游区域。例如HoxB4能在含有这些元件的质粒中表达，并可以制备转基因鼠，但为什么在进化压力下在一个有序列的基因簇中保留着一些基因呢？一种可能是一个基因的增强子可能被埋入在另一个基因内。我们可以将一个基因易位别处时，看它是否有功能来加以判断它是否属于这种情况，若它含有相邻基因的调节元件的话，那么它被取消将影响到其它基因的表达。
2 H# Q# X6 G4 U/ ^; PHox基因 - Hox基因新作用 * h6 I1 w9 @) z
肢翼不对称是人类手部运动形式多样的基础，但是怎样建立起来的？最近de Recherches Cliniques de Montréal (IRCM)研究所Marie Kmita博士与瑞士Geneva大学Basile Tarchini 、Denis Duboule两位博士合作的一份遗传学报告，对几种“建筑”基因的运转模式在肢翼形成的进化过程中再循环利用的过程进行了描述，揭示了这个发育生物学长期存在的谜团，为研究四肢结构的起源带来了新的发现。研究结果刊登于10月26日《Nature》。
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肌体结构的建立受到一个名为Hox的“建筑师”基因家族控制。Hox基因在进化过程中相当保守，其最初的功能是通过定义指导细胞发育命运的位置信息建立肌体的“基础”模式。这是肌体成型和器官、骨骼等肌体组成要素位置确立的基础。进化过程中，一些Hox基因被重新利用，控制肢翼（limb）的发育。事实上，Kmita博士早先研究已经证实缺乏这些基因，肢翼不能形成。 1 P; ^; ~$ c7 c1 V7 p' C$ {, G

8 W- ]8 f& i2 b, _+ uHox基因的特点在于进化上相当保守，在染色体上排列成簇，排列顺序与它们所控制的胚胎发育密切相关，称之为共线性规则。这些基因按顺序活化保证器官以及各部位骨骼依据发育模式，前后轴（anterior-posterior axis，从头到脚）排列。Kmita及其同事研究发现，依靠Hox基因活化的原始发育策略在脊椎动物肢翼初具模型，构造四肢的发育过程中被再度启用。在胚胎的肢芽（limb buds）中，Hox基因被依次激活，以保证活化的领域与前后轴（从拇指到小指）的重叠，并且在后轴保持最大活性。这种活性的最高峰会激活一种叫做Sonic Hedgehog的“极化”基因。Sonic Hedgehog基因特异位于发育阶段肢翼的后区，因此使肢翼具有不对称性（比如手指会长度不一）。