Omeobox

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Una regione omeobox (dall'inglese: homeobox, tradotto letteralmente scatola dell'omeostasi) è una sequenza di DNA che dirige i geni coinvolti nella regolazione delle procedure di sviluppo (morfogenesi) negli animali, funghi e piante.

Scoperta[modifica | modifica sorgente]

I geni homeobox vennero scoperti indipendentemente nel 1983 da Ernst Hafen, Michael Levine e William McGinnis, che lavoravano nel laboratorio di Walter Jakob Gehring nella Università di Basilea in Svizzera, e da Matthew P. Scott e Amy Weiner, che lavoravano con Thomas Kaufman nella Indiana University di Bloomington.[1][2]

Struttura[modifica | modifica sorgente]

Una sequenza genica di un omeobox è lunga circa 180 paia di basi. Codifica per un dominio proteico (denominato "homeodomain fold") che quando viene espresso (ad esempio come una proteina) può legarsi al DNA, per agire da regolatore dell'espressione genica; alcuni geni vengono trascritti soltanto nella vita embrionale, alcuni soltanto in alcuni tipi di cellule, ecc. Ad esempio il gene per l'emoglobina viene trascritto soltanto nei reticolociti, che sono i precursori dei globuli rossi. La sequenza di lettere che segue mostra la catena di 60 polipeptidi che secondo la maggioranza dei genetisti corrisponde al "homeobox domain", con le tipiche posizioni degli introni evidenziate con trattini:[3]

RRRKRTA-YTRYQLLE-LEKEFLF-NRYLTRRRRIELAHSL-NLTERHIKIWFQN-RRMK-WKKEN

I geni dell'omeobox codificano per fattori di trascrizione che tipicamente attivano cascate di altri geni. L'homeodomain lega il DNA in un modo specifico per la sequenza. Comunque, la specificità di un singola proteina dell'omeodominio non è abitualmente sufficiente per riconoscere specificamente soltanto i geni bersaglio desiderati. La maggior parte del tempo, le proteine dell'homeodomain agiscono nella regione del promotore dei loro geni bersaglio, formando complessi con'altri fattori di trascrizione. Questi complessi hanno una specificità per il bersaglio molto maggiore rispetto ad una singola proteina dell' omeodominio. Gli homeodomains sono codificati sia da geni del cluster dei geni Hox che da altri geni collocati in altre parti del genoma.

Geni Hox[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Gene Hox.

Sono essenzialmente geni degli eumetazoi che determinano l'identità delle regioni embrionali lungo l'asse antero-posteriore. Il primo gene Hox dei vertebrati venne isolato nel genere Xenopus da Eddy De Robertis e dai suoi colleghi nel 1984, dando avvio alla giovane branca della biologia: la biologia evolutiva dello sviluppo (abbreviata come Evo-devo in inglese)[4].

Nei vertebrati, i quattro cluster paraloghi sono parzialmente ridondanti nella loro funzione, ma hanno anche acquisito diverse funzioni derivate. In particolare, i geni HoxA e HoxD specificano per l'identità del segmento (ad es. braccio, avambraccio, carpo, metacarpo, ecc.) lungo l'asse dell'arto.

Il principale interesse in questo insieme di geni deriva dal loro comportamento unico. Si trovano tipicamente in un cluster organizzato. L'ordine lineare dei geni all'interno di un cluster correla direttamente all'ordine delle regioni sulle quali esse influiscono come correlano anche alla sequenza cronologica durante lo sviluppo embrionale quando vengono attivati. Questo fenomeno si chiama co-linearità. A causa di questa relazione lineare, qualsiasi cambiamento nel cluster genico dovuto a mutazioni generalmente risulta in cambiamenti simili nelle regioni che essi affettano.

Espressione dei geni Omeobox nella Drosophila melanogaster (moscerino della frutta).

Ad esempio, quando un gene viene perduto il segmento si sviluppa dando luogo ad un segmento con le proprietà di uno più anteriore, mentre una mutazione che porti ad avere un segmento ulteriore causa che il segmento si sviluppi come uno più posteriore. Questo fenomeno viene chiamato ectopia. Esempi famosi sono i geni Antennapedia e Bithorax della Drosofila, che possono portare allo sviluppo di zampe sulla testa al posto delle antenne e rispettivamente allo sviluppo di un torace duplicato in cui sono presenti due paia di ali (quindi il moscerino della frutta in totale avrà 4 ali invece di 2).

Esiste evidenza di biologia molecolare evolutiva che mostra che un numero limitato di geni Hox esistessero nel phylum Cnidaria già prima della comparsa dei veri animali eumetazoi del ramo Bilatera, dimostrando che si tratta di geni pre-paleozoici.[5]

Diversità[modifica | modifica sorgente]

I geni dell'omeobox vennero identificati per la prima volta nel moscerino della frutta Drosophila melanogaster e in seguito sono stati localizzati in molte altre specie, da insetti a rettili fino ai mammiferi.

All'inizio i geni Hox dell'omeobox vennero identificati soltanto negli eumetazoi bilaterali, ma più recentemente si è visto che anche gli cnidari è presente il domain dell'omeobox e l'"anello mancante" nell'evoluzione tra i due è stato identificato.

I geni dell'omeobox sono stati trovati nei funghi, ad esempio nei lieviti unicellullari, e nelle piante.

Piante[modifica | modifica sorgente]

I ben noti geni omeostatici delle piante (geni MADS-box) non sono omologhi ai geni Hox degli animali. Piante e animali non condividono gli stessi geni omeostatici, e questo suggerisce che i geni omeostatici del regno vegetale sorsero indipendentemente nella parte più recente dell'evoluzione degli animali e delle piante.

Geni umani[modifica | modifica sorgente]

Gli esseri umani generalmente contengono i geni Hox in quattro cluster genetici:

nome cromosoma gene
HOXA (noto a volte come HOX1) - HOXA@ cromosoma 7 HOXA1, HOXA2, HOXA3, HOXA4, HOXA5, HOXA6, HOXA7, HOXA9, HOXA10, HOXA11, HOXA13
HOXB - HOXB@ cromosoma 17 HOXB1, HOXB2, HOXB3, HOXB4, HOXB5, HOXB6, HOXB7, HOXB8, HOXB9, HOXB13
HOXC - HOXC@ cromosoma 12 HOXC4, HOXC5, HOXC6, HOXC8, HOXC9, HOXC10, HOXC11, HOXC12, HOXC13
HOXD - HOXD@ cromosoma 2 HOXD1, HOXD3, HOXD4, HOXD8, HOXD9, HOXD10, HOXD11, HOXD12, HOXD13

Esiste anche una famiglia di omeobox meno distale ("distal-less homeobox"): DLX1, DLX2, DLX3, DLX4, DLX5 e DLX6.

"HESX homeobox 1" è noto anche come HESX1.

Il gene dell'omeobox per la bassa statura (Short stature homeobox gene) è noto anche come gene SHOX.

Proteine umane addizionali che contengono questo domain in base alla annotazione UniProt:

Mutazioni[modifica | modifica sorgente]

Eventuali mutazioni ai geni dell'omeobox possono produrre cambiamenti fenotipici eclatanti.

Due esempi di mutazioni nel homeobox nel su menzionato moscerino della frutta consistono nella comparsa di zampette dove si trovano normalmente le antenne (antennapedia), e un secondo paio di ali (mutante Bithorax).

La duplicazione dei geni homeobox può produrre nuovi segmenti corporei, e sembra che queste duplicazioni siano state importanti nell'evoluzione degli animali segmentati. Tuttavia, i geni Hox tipicamente determinano l'identità dei segmenti corporei.

È interessante notare che vi è un insetto del sottordine degli imenotteri sinfiti, (la "sawflies xyelid"), nella quale entrambe le antenne che la parte corrispondente alla bocca sono notevolmente simili alle gambe nella struttura. Questo non è raro in artropodi come tutte le appendici degli artropodi sono omologhi.

Regolazione[modifica | modifica sorgente]

La regolazione dei geni Hox è estremamente complessa e coinvolge reciproche interazioni, per la maggior parte inibitorie. La mosca Drosophila utilizza i complessi di proteine Polycomb e Trithorax per mantenere l'espressione dei geni Hox dopo la "down-regulation" della regola del paio e dei geni gap che avviene durante lo sviluppo larvale. Le proteine del gruppo Polycomb possono silenziare i geni HOX, grazie alla modulazione della struttura della cromatina.[6]

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ McGinnis W, Levine MS, Hafen E, Kuroiwa A, Gehring WJ, A conserved DNA sequence in homoeotic genes of the Drosophila Antennapedia and bithorax complexes in Nature, vol. 308, nº 5958, 1984, pp. 428–33, DOI:10.1038/308428a0, PMID 6323992.
  2. ^ Scott MP, Weiner AJ, Structural relationships among genes that control development: sequence homology between the Antennapedia, Ultrabithorax, and fushi tarazu loci of Drosophila in PNAS, vol. 81, nº 13, 1984, pp. 4115–9, DOI:10.1073/pnas.81.13.4115, PMC 345379, PMID 6330741.
  3. ^ http://www.csb.ki.se/groups/tbu/homeo/consensus.gif
  4. ^ Carrasco, McGinnis, Gehring and De Robertis, Cell 37, 409-414, 1984
  5. ^ Joseph F Ryan, Maureen E. Mazza, Kevin Pang, David Q. Matus, Andreas D. Baxevanis, Mark Q. Martindale, John R. Finnertyl, Pre-Bilaterian Origins of the Hox Cluster and the Hox Code: Evidence from the Sea Anemone, Nematostella vectensis in PLoS ONE, vol. 2, nº 1, 2007-01, pp. e153, DOI:10.1371/journal.pone.0000153, PMC 1779807, PMID 17252055. URL consultato il 30 aprile 2008.
  6. ^ Portoso M and Cavalli G, The Role of RNAi and Noncoding RNAs in Polycomb Mediated Control of Gene Expression and Genomic Programming in RNA and the Regulation of Gene Expression: A Hidden Layer of Complexity, Caister Academic Press, 2008, ISBN 978-1-904455-25-7.

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]