ძირითადი მასალა
კურსი: ბიოლოგია > თემა 18
გაკვეთილი 2: სიგნალის გადაცემა & ტრანსკრიფციის ფაქტორები განვითარების პროცესშიჰომეოზისური გენები
ჰომეოზისური გენები აკონტროლებენ მთელი სხეულის სეგმენტებისა თუ სტრუქტურების განვითარებას. როდესაც ისინი ორგანიზმში ზედმეტად აქტიურია ან არ გვაქვს, უცნაური რაღაცები ხდება!
საკვანძო საკითხები
- ჰომეოზისური გენები არის მთავარი რეგულატორული გენები, რომლებიც წარმართავენ სხეულის ცალკეული სეგმენტებისა თუ სტრუქტურების განვითარებას.
- როდესაც ჰომეოზისური გენები ზედმეტად აქტიური ხდება ან ინაქტივირდება მუტაციების მიერ, შესაძლოა, სხეულის სტრუქტურები არასწორ ადგილას განვითარდეს — ზოგჯერ ძალიან არასწორ ადგილასაც კი!
- ცხოველთა დიდი ნაწილის ჰომეოზისური გენები აკოდირებს ტრანსკრიფციის ფაქტორ ცილებს, რომლებიც შეიცავენ რეგიონს, სახელად ჰომეოდომენს, და მათ Hox გენები ეწოდება.
- Hox გენები ირთვება რეგულატორული გენების კასკადით; ცილები, რომლებიც ადრეულმა გენებმა დააკოდირეს, მოგვიანებითი გენების ექსპრესიას არეგულირებენ.
- Hox გენები მრავალ ცხოველში გვხვდება, მათ შორის დროზოფილებში, თაგვებსა და ადამიანებში. ადამიანის Hox გენებში მიმდინარე მუტაციები გენეტიკურ დარღვევებს წარმოშობენ.
შესავალი
რამდენი ფეხი აქვს დროზოფილას? დროზოფილებში დიდად ჩახედული რომც არ იყოთ, შესაძლოა, იცოდეთ, რომ მწერებს, როგორც წესი, სულ ექვსი ფეხი აქვთ — განსხვავებით, მაგალითად, რვაფეხიანი ობობებისგან. აგრეთვე, ალბათ, შენიშნავდით, რომ ბუზის ფეხები, ჩვეულებრივ, მისი სხეულის შუა ნაწილიდანაა ხოლმე გამოზრდილი — თორაქსიდან — და არა, ვთქვათ, მისი თავიდან.
რა აწესრიგებს ასე მოხდენილად სხეულის ნაწილებს ისეთ პატარა რაღაცაში, როგორიც ბუზია? აღმოჩნდა, რომ ორგანიზმის განვითარების დროს ბუზის სხეულის განსხვავებულ ორგანოებში ექსპრესირდება მთავარი რეგულატორული გენების ნაკრები. ეს გენები რთავენ სწორ გენეტიკურ „პროგრამებს“, რომლებიც სხეულის თითოეული ნაწილის განსავითარებლადაა საჭირო. მაგალითად, ისინი უზრუნველყოფენ იმას, რომ ფეხები ბუზის თორაქსიდან გამოიზრდება და არა — თავიდან.
ამ სტატიაში ჩვენ უფრო დაწვრილებით განვიხილავთ ამ და სხვა ჰომეოზისურ გენებს, რომლებსაც აგრეთვე სელექტორი გენები ეწოდება. განმარტების თანახმად, ეს გენები „არჩევენ“ განვითარების პროცესში მყოფი ორგანიზმების სხეულების მთლიანი სეგმენტებისა თუ სტრუქტურების იდენტობებს.
ჰომეოზისური მუტაციები დროზოფილებში
ჰომეოზისური გენების ფუნქციაა სხეულის განსაზღვრული სეგმენტებისა თუ სტრუქტურების იდენტობების განსაზღვრა. ამიტომ, როდესაც ჰომეზოსური გენები მუტაციების გამო ინაქტივირდება ან უჩვეულო ადგილას ექსპრესირდება, ისინი სხეულის სეგმენტებს ახალ — და ზოგჯერ სრულიად გასაოცარ! — იდენტობებს სძენენ.
მაგალითისთვის განვიხილოთ ჰომეოზისური გენი, რომელსაც ანტენაპედია ეწოდება. ჩვეულებრივ, ანტენაპედია ექსპრესირდება იმ ადგილას, რომელიც ბუზის თორაქსის მეორე სეგმენტი გახდება, რაც იწყება მაშინ, როდესაც ბუზი ჯერ კიდევ ერთი ციდა ემბრიონია, და ბუზის ზრდასრულობის დროსაც გრძელდება. ამ დროის განმავლობაში გენი მოქმედებს, როგორც მთავარი რეგულატორი, და რთავს იმ გენეტიკურ პროგრამას, რომელიც წარმოქმნის ბუზის ფეხების მეორე წყვილსა და სეგმენტისთვის დამახასიათებელ სხვა სტრუქტურებს.
თუკი ანტენაპედია კუთვნილ ადგილას დარჩება და თავის სამუშაოს შეასრულებს, მივიღებთ ჩვეულებრივი შესახედაობის ბუზს, რომელსაც ყველა გამონაზარდი სწორ ადგილას აქვს. მაგრამ რა მოხდება, თუკი გენეტიკური მუტაციის გამო გენი ანტენაპედია ბუზის თავშიც ექსპრესირდება? ამ ტიპის მუტაციის გამო ბუზს ფეხები თავიდან გამოეზრდება, ანტენების ადგილას! სხვაგვარად თუ ვიტყვით, გენი ააქტიურებს მისთვის ჩვეულ, მეორე სეგმენტში ფეხების განვითარების პროგრამას, თუმცა ბუზის სხეულის არასწორ ნაწილში.
დრამატული ეფექტების მქონე მორიგი ჰომეოზისური გენი ბუზებში არის ულტრაბითორაქსი. ეს გენი ექსპრესირდება თორაქსის მესამე სეგმენტში, რომელშიც ბუზის ფეხების ყველაზე უკანა წყვილი გვხვდება. ბუზის ამ რეგიონში ულტრაბითორაქსის ექსპრესია განვითარების ადრეულ საფეხურზე იწყება და ბუზის მთელი სიცოცხლის განმავლობაში გრძელდება.
ფრთები, როგორც წესი, თორაქსის მხოლოდ მეორე სეგმენტში ფორმირდება, და არა — მესამეში, ეს უკანასკნელი კი სანაცვლოდ წარმოქმნის პატარა სტრუქტურებს, საბზუილეებს, რომლებიც ბუზს წონასწორობაში ეხმარება. ულტრაბითორაქსს ევალება „მეორესეგმენტობის“ იდენტობისა და მესამე სეგმენტში ფრთების წარმოქმნის დათრგუნვა. როდესაც მესამე სეგმენტის განვითარების დროს ულტრაბითორაქსი ინაქტივირებულია მუტაციების გამო, საბზუილეები ფრთების მეორე წყვილად გარდაიქმნება და ნორმალური წყვილის უკან ლაგდება.
დროზოფილას Hox გენების მიმოხილვა
დროზოფილას ჰომეოზისურ გენებს შორის მარტო ანტენაპედია და ულტრაბითორაქსი როდია. მეტიც, ბუზის სხეულის განსხვავებულ რეგიონებში სხვადასხვაგვარი ჰომეოზისური გენების მთელი ნაკრები მოქმედებს და თითოეული სეგმენტის მიერ შესაფერისი იდენტობის მიღებას უზრუნველყოფს. ეს გენები, როგორც წესი, ექსპრესირდება იმ რეგიონებში, რომლებსაც ისინი არეგულირებენ. მათი ექსპრესია იწყება ადრეული ემბრიონული განვითარების დროს და ზრდასრულ ბუზშიც გრძელდება.
ქვემოთ მოცემულ დიაგრამაზე ნაჩვენებია რვა მთავარი ჰომეოზისური გენი ბუზებში. დიაგრამის ზედა ნაწილი აჩვენებს იმ უბნებს, რომლებშიც ყველაზე მეტად ექსპრესირდება თითოეული გენი ზრდასრულ ბუზში, ხოლო დიაგრამის ქვედა ნაწილში მოცემულია გენების მდებარეობა ქრომოსომაში. ქრომოსომაში ამ გენების წყობა მეტ-ნაკლებად იმეორებს მათი ექსპრესიის თანმიმდევრობას ბუზის თავისა და კუდის ღერძის სიგრძეზე.
ზუსტად რას წარმოადგენენ ეს ჰომეოზისური გენები? თითოეული გენი აკოდირებს ტრანსკრიფციის ფაქტორს, რომელიც ბუზის განსაზღვრულ რეგიონში ექსპრესირდება მისი ადრეული ემბრიონული განვითარების საფეხურზე. ტრანკრიფციის ფაქტორები ცვლიან სამიზნე გენების ექპრესიას, რათა აამოქმედონ თითოეული სეგმენტისთვის შესაფერისი გენეტიკური „პროგრამა“.
ტრანსკრიფციის ჰომეოზისური ფაქტორები, რომლებიც ზემოთ მოცემულ დიაგრამაზეა ნაჩვენები, შეიცავენ
როგორ ირთვება ბუზის Hox გენები?
Hox გენების ფრთხილად რეგულირებაა საჭირო. როგორც ზემოთ უკვე გაიგეთ, უყურადღებო რეგულაციას ისეთი რაღაცების გამოწვევა შეუძლია, როგორებიცაა დამატებითი ფრთები ან ფეხები ანტენების ადგილას — ორივე ეშემთხვევა საკმაოდ შეუშლის ხელს დროზოფილას გადარჩენას ბუნებაში! ჰოდა, როგორ ექსპრესირდება ეს გენები განვითარების საფეხურზე მყოფი ემბრიონის შესაფერის ნაწილებში?
ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად, მოდით, მოკლედ მიმოვიხილოთ ბუზის ემბრიონის განვითარების ადრეული საფეხურები. ბუზის კვერცხში ჩადებული გენეტიკური კანონზომიერებები — ჯერ კიდევ მანამ, სანამ ემბრიონი ემბრიონად გადაიქცევა — ბუზის სხეულის გეგმის საძირკველს ქმნის. ორგანიზმის განვითარების დროს ბუზის სხეული ჯერ ძალიან ზოგადად მოიხაზება, ერთ მხარეს თავითა და მეორე მხარეს ბოლოთი. შემდეგ ეს სტრუქტურა თანდათანობით უფრო გამოკვეთილი ხდება, ჯერ იყოფა ვრცელ სექციებად, შემდეგ უფრო პატარა სექციებად, ბოლოს კი სხეულის რეალურ სეგმენტებად.
ეს პროცესი მოიცავს გენთა განსხვავებულ კლასებს ექსპრესიის უფრო და უფრო ვიწრო და სპეციფიკური კანონზომიერებებით. ზოგადად, ადრეულ საფეხურზე მოქმედი ჯგუფები არეგულირებს მოგვიანებით საფეხურზე მოქმედ ჯგუფებს, ასე ვთქვათ, მოლეკულური დომინოს ეფექტის მეშვეობით. ამ კასკადში გენების აქტიურობა სხეულის სპეციფიკურ ადგილებში რთავს Hox გენებს.
ორგანიზმის ადრეული განვითარების ამ კასკადის გენები მოიცავს შემდეგ ჯგუფებს:
- დედისეული ეფექტების გენები (ინგლ. Maternal effects genes), ანუ ის გენები, რომელთა ი-
- გეპ-გენები (ინგლ. Gap genes) სახელწოდების შესაბამისია. თუკი მუტაციის გამო ორგანიზმში არ არის გეპ-გენები, ბუზის ლარვაში ჩნდება დიდი გეპი (რღვეული) — მას აკლია მისთვის ჩვეული სეგმენტების დიდი ნაწილი.
- წყვილის წესის გენები (ინგლ. Pair-rule genes) ირთვება გეპ-გენებს შორის მიმდინარე ურთიერთქმედებებით და მათი ექსპრესიის კანონზომიერებები ერთმანეთთან ურთიერთქმედებების შედეგად იხვეწება. ეს გენები ემბრიონის სიგრძეზე „ზოლებად“ ჩნდება, რაც ზრდასრული ბუზის სეგმენტების კანონზომიერების მსგავსია, თუმცა ოდნავ აცდენილია მას.
ჰოდა, როდისღა ერთვება საქმეში Hox გენები? Hox გენები განსაზღვრული კანონზომიერებებით ირთვება გეპ-გენებისა და წყვილის წესის გენების ცილა-პროდუქტების მიერ. მათი ექსპრესიის კანონზომიერებები ემბრიონის განვითარებასთან ერთად იხვეწება — ამ გენების პროდუქტების მიერ და სხვა Hox ცილებთან ურთიერთქმედებების შედეგად.
ცხოველთა მრავალ სახეობას აქვს Hox გენები.
Hox გენები მხოლოდ დროზოფილებში არ გვხვდება. მეტიც, Hox გენები ცხოველთა მრავალ სხვადასხვა სახეობას აქვს, მათ შორის თაგვებსა და ადამიანებს. დიახ, თქვენც გაქვთ საკუთარი Hox გენები! სხვადასხვა სახეობაში მსგავსი Hox გენების არსებობა ამ სახეობათა საერთო წინაპარზე მეტყველებს: Hox გენების ჯგუფი, სავარაუდოდ, უკვე არსებობდა თაგვების, ბუზების, ადამიანებისა და ცხოველთა სხვა ჯგუფების საერთო წინაპარში.
Hox გენები უბრალოდ კი არ გვხვდება ცხოველთა მრავალ სხვადასხვა სახეობაში, არამედ მათ მსგავსი წყობაც აქვთ ყველა ამ სახეობის ქრომოსომაში. ისევე, როგორც ბუზში, ეს წყობა დაახლოებით ასახავს სხეულის იმ ნაწილებს, რომლებსაც თითოეული გენი წარმართავს. ასეთი თანმიმდევრულობის გამო მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ ეს არ არის შემთხვევითი და მას ფუნქციური მნიშვნელობა აქვს.
ხერხემლიანებში, მაგალითად, ადამიანებსა და თაგვებში, Hox გენები დუპლიცირდა ევოლუციური ისტორიის განმავლობაში და დღეისთვის მსგავსი ტიპის გენების ოთხ კლასტერად იყოფა, A-დან D-მდე:
ზოგადად, განსხვავებული კლასტერების გენები ერთად მოქმედებენ, რათა სხეულის სეგმენტების იდენტობები განსაზღვრონ თავისა და კუდის ღერძის სიგრძეზე. ეს ნიშნავს, რომ კლასტერის დასაწყისში მყოფი გენები — თანრიგობით 1-თან ახლოს დიაგრამაზე — როგორც წესი, განსაზღვრავენ ორგანიზმის თავის ნაწილის სტრუქტურებს, ხოლო კლასტერის ბოლოს არსებული გენები — თანრიგობით 13-თან ახლოს დიაგრამაზე — სხეულის კუდის ნაწილის სტრუქტურებს განსაზღვრავენ.
მიუხედავად ამისა, გენის დუპლიკაციის მეშვეობით ზოგიერთმა Hox გენმა უფრო სპეციალიზებული როლები მიიღო. მაგალითად, კლასტერის ბოლოში მყოფი მრავალი Hox გენი სპეციფიკურად ხერხემლიანების კიდურების — ხელების, ფეხების ან ფრთების — განვითარებაში მოქმედებს, როგორც ეს ზემოთ მოცემულ დიაგრამაზეა ნაჩვენები ქალის მაგალითზე. ადამიანებში HoxD13 გენის მუტაცია იწვევს გენეტიკურ მდგომარეობას, რომელსაც სინპოლიდაქტილია ეწოდება და რომლის დროსაც ადამიანები იბადებიან ხელის ან ფეხის დამატებითი, ზოგჯერ შერწყმული თითებით.
Hox კლასტერი შესანიშნავი მაგალითია იმისა, თუ როგორ შეიძლება, ორგანიზმის განვითარებისთვის საჭირო გენები შემოინახოს და მოდიფიცირდეს ევოლუციის განმავლობაში, მეტადრე მაშინ, როდესაც ისინი დუპლიკაციის გზით კოპირდება. Hox გენები აგრეთვე გვიჩვენებს, თუ რამდენად ძლიერი შეიძლება იყოს ორგანიზმის განვითარებისთვის საჭირო გენი, განსაკუთრებით, როდესაც ის ტრანსკრიფციის ფაქტორია, რომელიც მრავალი სამიზნე გენის ჩართვა/გამორთვითაა დაკავებული, რათა განსაზღვრული გენეტიკური „პროგრამა“ გაააქტიუროს.
გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?
პოსტები ჯერ არ არის.